Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Коллекторный электродвигатель постоянного тока с внутренней коммутацией — это электродвигатель , предназначенный для работы от источника постоянного тока и использующий электрическую щетку для контакта .

Коллекторные двигатели были первым коммерчески важным применением электроэнергии для приведения в движение механической энергии, а системы распределения постоянного тока использовались более 100 лет для управления двигателями в коммерческих и промышленных зданиях. Скорость коллекторных двигателей постоянного тока можно изменять, изменяя рабочее напряжение или силу магнитного поля. В зависимости от подключения поля к источнику питания характеристики скорости и крутящего момента коллекторного двигателя могут быть изменены для обеспечения постоянной скорости или скорости, обратно пропорциональной механической нагрузке. Коллекторные двигатели по-прежнему используются в электроприводах, кранах, бумагоделательных машинах и сталелитейных станах. Поскольку щетки изнашиваются и требуют замены, бесщеточные двигатели постоянного тока, использующие силовые электронные устройства, вытеснили коллекторные двигатели из многих приложений.

Простой двухполюсный двигатель постоянного тока.

На следующем рисунке показан простой двухполюсный коллекторный двигатель постоянного тока.

Вращение двигателя постоянного тока

Простой электродвигатель постоянного тока. Когда на катушку подается питание, магнитное поле вокруг якоря создается . Левая сторона якоря отталкивается от левого магнита и притягивается вправо, вызывая вращение.

Якорь продолжает вращаться.

Когда якорь выравнивается по горизонтали, крутящий момент становится равным нулю. В этот момент коммутатор меняет направление тока через катушку, меняя магнитное поле.

Затем процесс повторяется.

Миниатюрные электродвигатели разных размеров.

Когда ток проходит через катушку, намотанную на сердечник из мягкого железа, расположенный внутри внешнего магнитного поля, на сторону положительного полюса действует направленная вверх сила, а на другую сторону - нисходящая сила. Согласно правилу левой руки Флеминга , силы вызывают поворот катушки, заставляя ее вращаться. Чтобы двигатель вращался в постоянном направлении, коммутаторы «постоянного тока» меняют направление тока каждые полпериода (в двухполюсном двигателе), тем самым заставляя двигатель продолжать вращаться в том же направлении.

Проблема с показанным выше двигателем заключается в том, что когда плоскость катушки параллельна магнитному полю, то есть когда полюса ротора расположены под углом 90 градусов к полюсам статора, крутящий момент равен нулю. На изображениях выше это происходит, когда сердечник катушки расположен горизонтально — положение, которого он вот-вот достигнет на предпоследнем изображении справа. В этом положении двигатель не сможет запуститься. Однако, как только он был запущен, он продолжал вращаться в этом положении за счет импульса.

Есть вторая проблема с этой простой конструкцией столба. В положении нулевого крутящего момента обе щетки коллектора касаются (перемыкают) обе пластины коллектора, что приводит к короткому замыканию. Силовые выводы замыкаются между собой через пластины коллектора, а катушка также закорачивается на обе щетки (катушка закорачивается дважды, по одному разу на каждую щетку независимо). Обратите внимание, что эта проблема не зависит от описанной выше проблемы незапуска; даже если бы в этом положении в катушке был большой ток, крутящий момент все равно был бы нулевым. Проблема здесь в том, что это короткое замыкание бесполезно потребляет энергию, не создавая никакого движения (и даже тока катушки). При демонстрации слаботочного питания от батареи такое короткое замыкание обычно не считается вредным. Однако, если бы двухполюсный двигатель был спроектирован для выполнения реальной работы с выходной мощностью в несколько сотен ватт, это замыкание могло бы привести к серьезному перегреву коллектора, повреждению щеток и потенциальному привариванию щеток (если они были металлические) к коллектору. Часто используемые угольные щетки не свариваются. В любом случае, подобное короткое замыкание очень расточительно, быстро разряжает батареи и, как минимум, требует, чтобы компоненты источника питания были разработаны в соответствии с гораздо более высокими стандартами, чем это было бы необходимо просто для работы двигателя без короткого замыкания.

Внутри очень маленького двигателя постоянного тока, как в игрушке.

Одним из простых решений является создание зазора между пластинами коллектора, который должен быть шире концов щеток. Это увеличивает диапазон угловых положений с нулевым крутящим моментом, но устраняет проблему короткого замыкания; если двигатель начнет вращаться под действием внешней силы, он продолжит вращаться. С помощью этой модификации его также можно эффективно отключить, просто застопорив (остановив) его в положении угла нулевого крутящего момента (т. е. бесконтактного коммутатора). Эту конструкцию иногда можно увидеть в самодельных двигателях для хобби, например, на научных ярмарках, и такие конструкции можно найти в некоторых опубликованных книгах по научным проектам. Явным недостатком этого простого решения является то, что двигатель теперь совершает значительную дугу вращения дважды за оборот, а крутящий момент пульсирует. Это может сработать для электрических вентиляторов или для поддержания вращения маховика, но существует множество применений, даже там, где запуск и остановка не необходимы, для которых этого совершенно недостаточно, например, приведение в движение шпиля ленточного транспорта или любой другой подобный случай, когда необходимо ускоряться и замедляться часто и быстро является обязательным требованием. Другим недостатком является то, что, поскольку катушки имеют определенную степень индуктивность , ток, текущий в них, не может внезапно прекратиться. Ток пытается преодолеть открытый зазор между сегментом коллектора и щеткой, вызывая искрение.

Даже для вентиляторов и маховиков явные недостатки, оставшиеся в этой конструкции, особенно то, что она не запускается автоматически со всех позиций, делают ее непрактичной для рабочего использования, особенно с учетом существующих лучших альтернатив. В отличие от демонстрационного двигателя, приведенного выше, двигатели постоянного тока обычно имеют более двух полюсов, могут запускаться из любого положения и не имеют положения, в котором ток мог бы протекать без производства электродвижущей силы, проходя через какую-либо катушку. Многие распространенные небольшие коллекторные двигатели постоянного тока, используемые в игрушках и мелкой бытовой технике, а также самые простые двигатели постоянного тока массового производства, которые можно найти, имеют трехполюсный якорь. Теперь щетки могут соединить два соседних сегмента коммутатора, не вызывая короткого замыкания. Эти трехполюсные якоря также имеют то преимущество, что ток от щеток протекает либо через две катушки последовательно, либо только через одну катушку. Начиная с тока в отдельной катушке, равного половине номинального значения (в результате протекания через две последовательно включенные катушки), он возрастает до номинального значения, а затем падает до половины этого значения. Затем последовательность продолжается с током в обратном направлении. Это приводит к более близкому ступенчатому приближению к идеальному синусоидальному току катушки, создавая более равномерный крутящий момент, чем у двухполюсного двигателя, где ток в каждой катушке ближе к прямоугольной волне. Поскольку изменения тока вдвое меньше, чем у сопоставимого двухполюсного двигателя, следовательно, образование дуги на щетках меньше.

Если вал двигателя постоянного тока вращается под действием внешней силы, двигатель будет действовать как генератор и создавать электродвижущую силу (ЭДС). Во время нормальной работы вращение двигателя создает напряжение, известное как противо-ЭДС (CEMF) или противо-ЭДС, поскольку оно противодействует приложенному к двигателю напряжению. Обратная ЭДС является причиной того, что двигатель при работе на холостом ходу не имеет такого же низкого электрического сопротивления, как провод, содержащийся в его обмотке. Это та же самая ЭДС, которая создается, когда двигатель используется в качестве генератора (например, когда электрическая нагрузка, такая как лампочка, прикладывается к клеммам двигателя и вал двигателя приводится в движение внешним крутящим моментом). Следовательно, общее падение напряжения на двигателе состоит из падения напряжения CEMF и паразитного падения напряжения, возникающего из-за внутреннего сопротивления обмоток якоря. Ток через двигатель определяется следующим уравнением:

$I={\frac {V_{\text{applied}}-V_{\text{cemf}}}{R_{\text{armature}}}}$

Механическая мощность, вырабатываемая двигателем, определяется по формуле:

$P=I\cdot V_{\text{cemf}}$

Когда ненагруженный двигатель постоянного тока вращается, он генерирует обратную электродвижущую силу, которая сопротивляется току, подаваемому на двигатель. Ток через двигатель падает с увеличением скорости вращения, а двигатель со свободным вращением имеет очень малый ток. Только когда к двигателю прилагается нагрузка, замедляющая ротор, ток, проходящий через двигатель, увеличивается.

Коммутирующий самолет

В динамо- называется плоскость, проходящая через центры контактных площадок, где пара щеток касается коллектора и параллельная оси вращения якоря машине плоскостью коммутации . На этой диаграмме плоскость коммутации показана только для одной из щеток, при условии, что другая щетка соприкасается с другой стороной коммутатора с радиальной симметрией, на 180 градусов от показанной щетки.

Компенсация искажений поля статора

В настоящей динамо-машине поле никогда не бывает идеально однородным. Вместо этого, когда ротор вращается, он вызывает эффекты поля, которые тянут и искажают магнитные линии внешнего невращающегося статора.

Преувеличенный пример того, как поле искажается ротором.

Железные опилки показывают искаженное поле на роторе.

Чем быстрее вращается ротор, тем больше степень искажения поля. Поскольку динамо-машина работает наиболее эффективно, когда поле ротора расположено под прямым углом к ​​полю статора, необходимо либо замедлить, либо продвинуть положение щетки, чтобы поле ротора заняло правильное положение, находящееся под прямым углом к ​​​​искаженному полю.

Центральное положение коммутирующей плоскости, если не было эффектов искажения поля.

Фактическое положение коммутирующей плоскости для компенсации искажений поля.

Эти эффекты поля меняются на противоположные, когда направление вращения меняется на противоположное. Поэтому сложно построить эффективное реверсивное коммутируемое динамо, поскольку для наибольшей напряженности поля необходимо переместить щетки на противоположную сторону от нормальной нейтральной плоскости.

Эффект можно считать чем-то похожим на опережение времени в двигателе внутреннего сгорания. Как правило, щетки динамо-машины, спроектированной для работы на определенной фиксированной скорости, будут постоянно закреплены, чтобы выровнять поле для достижения максимальной эффективности на этой скорости.

Машины постоянного тока с намотанными статорами компенсируют искажения с помощью коммутирующих обмоток возбуждения и компенсационных обмоток .

Варианты конструкции двигателя

двигатели постоянного тока

Коллекторные двигатели постоянного тока состоят из фазных роторов и статоров с обмотками или постоянными магнитами.

Статоры с обмоткой

• А, Шунт
• Б, Серия
• С, Соединение
• е, катушка возбуждения

Катушки возбуждения традиционно существовали в четырех основных форматах: с раздельным возбуждением (sepex), с последовательной обмоткой, с шунтирующей обмоткой и комбинацией последних двух; сложная рана.

В двигателе с последовательной обмоткой катушки возбуждения электрически соединены последовательно с катушками якоря (через щетки). В двигателе с шунтовым возбуждением катушки возбуждения подключены параллельно или «шунтированы» к катушкам якоря. В двигателе с раздельным возбуждением (sepex) катушки возбуждения питаются от независимого источника, например двигателя-генератора , и на ток возбуждения не влияют изменения тока якоря. Система сепекс иногда использовалась в тяговых двигателях постоянного тока для облегчения контроля пробуксовки колес .

Двигатели с постоянными магнитами

типами постоянного тока, возбуждения Типы с постоянными магнитами имеют некоторые преимущества в производительности по сравнению с синхронными и стали преобладать в приложениях с дробной мощностью. Они меньше, легче, более эффективны и надежны, чем другие электрические машины с одинарным питанием .

Первоначально во всех крупных промышленных двигателях постоянного тока использовались магниты с возбуждением или ротором. Постоянные магниты традиционно использовались только в двигателях небольшой мощности, поскольку было трудно найти материал, способный сохранять поле высокой напряженности. Лишь недавно достижения в технологии материалов позволили создать постоянные магниты высокой интенсивности, такие как неодимовые магниты , что позволило разработать компактные, мощные двигатели без дополнительного объема катушек возбуждения и средств возбуждения. Но по мере того, как эти высокоэффективные постоянные магниты все чаще применяются в системах электродвигателей или генераторов, возникают другие проблемы (см. Синхронный генератор с постоянными магнитами ).

Осевые двигатели

Основная статья: Двигатель с осевым магнитным потоком

Традиционно поле прикладывалось радиально — внутрь и от оси вращения двигателя. Однако в некоторых конструкциях поле течет вдоль оси двигателя, а ротор при вращении разрезает линии поля. Это позволяет создавать гораздо более сильные магнитные поля, особенно если матрицы Хальбаха используются . Это, в свою очередь, дает мощность двигателю на более низких скоростях. Однако сфокусированная плотность потока не может превышать ограниченную остаточную плотность потока постоянного магнита, несмотря на высокую коэрцитивную силу, и, как и во всех электрических машинах, плотность потока насыщения магнитного сердечника является конструктивным ограничением.

Контроль скорости

Как правило, скорость вращения двигателя постоянного тока пропорциональна ЭДС в его катушке (= приложенное к нему напряжение минус напряжение, потерянное на его сопротивлении), а крутящий момент пропорционален току. Регулирование скорости может быть достигнуто с помощью регулируемых отводов батареи, переменного напряжения питания, резисторов или электронного управления. Пример моделирования можно найти здесь. и. Направление двигателя постоянного тока с возбуждением можно изменить, поменяв местами соединения возбуждения или якоря, но не то и другое. Обычно это делается с помощью специального набора контакторов (контакторов направления). Действующее напряжение можно изменять путем включения последовательного резистора или с помощью переключающего устройства с электронным управлением, состоящего из тиристоров , транзисторов или, раньше, ртутных дуговых выпрямителей .

Последовательно-параллельный

Последовательно-параллельное управление было стандартным методом управления железнодорожными тяговыми двигателями до появления силовой электроники . Электровоз : или поезд обычно имеют четыре двигателя, которые можно сгруппировать тремя разными способами

• Все четыре последовательно (каждый двигатель получает четверть сетевого напряжения), самая низкая скорость.
• Две параллельные группы по два последовательно (каждый двигатель получает половину линейного напряжения)
• Все четыре параллельно (каждый двигатель получает полное напряжение сети), максимальная скорость

Это обеспечило три скорости движения с минимальными потерями сопротивления. Для трогания с места и ускорения дополнительный контроль обеспечивался сопротивлениями. На смену этой системе пришли электронные системы управления.

Ослабление поля

Скорость двигателя постоянного тока можно увеличить за счет ослабления поля. Уменьшение напряженности поля достигается путем включения сопротивления последовательно с шунтирующим полем или включения сопротивлений вокруг последовательно соединенной обмотки возбуждения, чтобы уменьшить ток в обмотке возбуждения. Когда поле ослаблено, противо-ЭДС уменьшается, поэтому через обмотку якоря течет больший ток, и это увеличивает скорость. Ослабление поля используется не само по себе, а в сочетании с другими методами, например, последовательно-параллельным управлением.

Чоппер

В схеме, известной как прерыватель , среднее напряжение, подаваемое на двигатель, изменяется за счет очень быстрого переключения напряжения питания. Поскольку соотношение «включено» и «выключено» изменяется для изменения среднего приложенного напряжения, скорость двигателя меняется. Процент времени включения, умноженный на напряжение питания, дает среднее напряжение, подаваемое на двигатель. Следовательно, при питании 100 В и времени «включенного» состояния 25% среднее напряжение на двигателе будет 25 В. В течение времени «выключенного» индуктивность якоря заставляет ток продолжаться через диод, называемый «обратноходовым диодом». ", параллельно с двигателем. В этот момент цикла ток питания будет равен нулю, и, следовательно, средний ток двигателя всегда будет выше, чем ток питания, если только процент времени «включения» не равен 100%. При 100% времени включения ток питания и двигателя равны. Быстрое переключение тратит меньше энергии, чем последовательные резисторы. Этот метод также называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и часто управляется микропроцессором. Вывод фильтр Иногда устанавливается для сглаживания среднего напряжения, подаваемого на двигатель, и снижения шума двигателя.

Поскольку двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой развивает максимальный крутящий момент на низкой скорости, он часто используется в тяговых устройствах, таких как электровозы и трамваи . Другое применение — стартеры для бензиновых и небольших дизельных двигателей. Последовательные двигатели никогда не должны использоваться в устройствах, где привод может выйти из строя (например, ременные передачи). По мере ускорения двигателя ток якоря (и, следовательно, возбуждения) уменьшается. Уменьшение поля приводит к увеличению скорости двигателя, а в крайних случаях двигатель может даже выйти из строя, хотя для двигателей с вентиляторным охлаждением (с вентиляторами с автоматическим приводом) это гораздо меньшая проблема. Это может стать проблемой для железнодорожных двигателей в случае потери сцепления, поскольку, если их быстро не взять под контроль, двигатели могут развивать скорость, намного большую, чем при нормальных обстоятельствах. Это может не только вызвать проблемы с самими двигателями и шестернями, но из-за разницы скоростей между рельсами и колесами также может привести к серьезному повреждению рельсов и протекторов колес, поскольку они быстро нагреваются и охлаждаются. Ослабление поля используется в некоторых электронных средствах управления для увеличения максимальной скорости электромобиля. В самой простой форме используется контактор и ослабляющий поле резистор; Электронное управление контролирует ток двигателя и включает резистор, ослабляющий поле, в цепь, когда ток двигателя падает ниже заданного значения (это происходит, когда двигатель достигает полной расчетной скорости). Как только резистор окажется в цепи, двигатель увеличит скорость выше нормальной скорости при номинальном напряжении. Когда ток двигателя увеличивается, система управления отключает резистор и становится доступным крутящий момент на низкой скорости.

Уорд Леонард

Устройство управления Ward Leonard обычно используется для управления шунтирующим или двигателем постоянного тока с составной обмоткой и разработано как метод обеспечения двигателя с регулируемой скоростью от источника переменного тока, хотя оно не лишено своих преимуществ в схемах постоянного тока. Источник переменного тока используется для привода двигателя переменного тока, обычно асинхронного двигателя, который приводит в действие генератор постоянного тока или динамо-машину . Выход постоянного тока якоря напрямую подключен к якорю двигателя постоянного тока (иногда, но не всегда, идентичной конструкции). Обмотки шунтирующего возбуждения обеих машин постоянного тока возбуждаются независимо через переменные резисторы. Чрезвычайно хорошее управление скоростью от состояния покоя до полной скорости и постоянный крутящий момент можно получить, изменяя ток возбуждения генератора и/или двигателя. Этот метод управления был методом де-факто с момента его разработки до тех пор, пока его не заменили твердотельные тиристорные системы. Он нашел применение практически в любой среде, где требовался хороший контроль скорости: от пассажирских лифтов до больших подъемных механизмов шахт и даже промышленных технологических машин и электрических кранов. Его основным недостатком было то, что для реализации схемы требовалось три машины (пять в очень больших установках, поскольку машины постоянного тока часто дублировались и управлялись тандемным переменным резистором). Во многих приложениях двигатель-генераторная установка часто оставлялась включенной постоянно, чтобы избежать задержек, которые в противном случае были бы вызваны ее запуском по мере необходимости. Хотя электронные (тиристорные) контроллеры заменили большинство малых и средних систем Ward-Leonard, некоторые очень большие (тысячи лошадиных сил) остаются в эксплуатации. Токи возбуждения намного ниже, чем токи якоря, что позволяет тиристорному блоку среднего размера управлять двигателем гораздо большего размера, чем он мог бы управлять напрямую. Например, в одной установке тиристорный блок на 300 ампер управляет полем генератора. Выходной ток генератора превышает 15 000 ампер, и управлять им напрямую с помощью тиристоров было бы непомерно дорого (и неэффективно).

Крутящий момент и скорость двигателя постоянного тока

двигателя тока постоянного Характеристики скорости и крутящего момента различаются в зависимости от трех различных источников намагничивания: отдельно возбуждаемого поля, самовозбуждающегося поля или постоянного поля, которые используются выборочно для управления двигателем в диапазоне механической нагрузки. Двигатели возбуждения с самовозбуждением могут быть последовательными, шунтирующими или со сложной обмоткой, соединенной с якорем.

Основные свойства

Определять

• E _b , противоэлектродвижущая сила ( В )
• Ia _А ( ) , ток якоря
• k _b , константа уравнения противоЭДС
• k _n , константа уравнения скорости
• k _T , константа уравнения крутящего момента
• n , частота якоря ( об/мин )
• R _м , сопротивление двигателя ( Ом )
• T , крутящий момент двигателя ( Нм )
• В _м , входное напряжение двигателя (В)
• Φ машины , общий поток ( Вб )
• Коэффициент Картера ( k _C ) — это параметр, который часто используется для оценки эффективного шага пазов в якоре двигателя с открытыми (или полузакрытыми) пазами.

Уравнение противоЭДС

Противо-ЭДС двигателя постоянного тока пропорциональна произведению общей силы магнитного потока машины и скорости якоря:

E _b = k _b Φ n

Уравнение баланса напряжений

Входное напряжение двигателя постоянного тока должно преодолевать противо-ЭДС, а также падение напряжения, создаваемое током якоря на сопротивлении двигателя, то есть совокупное сопротивление щеток, обмотки якоря и последовательной обмотки возбуждения, если таковые имеются:

V _м = E _b + R _м I _а

Уравнение крутящего момента

Крутящий момент двигателя постоянного тока пропорционален произведению тока якоря и общей силы магнитного потока машины:

${\begin{aligned}T&={\frac {1}{2\pi }}k_{b}I_{a}\Phi \\&=k_{T}I_{a}\Phi \end{aligned}}$

где

к _Т = ⁠ k _b / 2π ⁠

Уравнение скорости

С

п = ⁠ E _b / k _b Φ ⁠ и

V _м = E _b + R _м I _а

у нас есть

${\begin{aligned}n&={\frac {V_{m}-R_{m}I_{a}}{k_{b}\Phi }}\\&=k_{n}{\frac {V_{m}-R_{m}I_{a}}{\Phi }}\end{aligned}}$

где

к _н = ⁠ 1 / k _b ⁠

Характеристики крутящего момента и скорости

Шунтирующий двигатель

возбуждения шунтового двигателя с высоким сопротивлением Когда обмотка подключена параллельно якорю, V _m , R _m и Ø постоянны, так что регулирование скорости от холостого хода до полной нагрузки редко превышает 5%. Регулирование скорости достигается тремя способами:

• Изменение напряжения возбуждения
• Ослабление поля
• Переменное сопротивление в цепи возбуждения.

Серийный двигатель

Основная статья: Универсальный двигатель

Серийный двигатель реагирует на повышенную нагрузку замедлением; ток увеличивается, а крутящий момент увеличивается пропорционально квадрату тока, поскольку один и тот же ток течет как в якоре, так и в обмотках возбуждения. Если двигатель заглох, ток ограничивается только общим сопротивлением обмоток и крутящий момент может быть очень высоким, но существует опасность перегрева обмоток. Двигатели с серийной обмоткой широко использовались в качестве тяговых двигателей на железнодорожном транспорте. всех видов, но постепенно вытесняются с инверторным питанием переменного тока асинхронными двигателями . ПротивоЭДС помогает сопротивлению якоря ограничить ток через якорь. При первой подаче питания на двигатель якорь не вращается, противо-ЭДС равна нулю, и единственным фактором, ограничивающим ток якоря, является сопротивление якоря. Поскольку предполагаемый ток через якорь очень велик, возникает необходимость в дополнительном сопротивлении последовательно с якорем для ограничения тока до тех пор, пока вращение двигателя не сможет создать противоЭДС. По мере увеличения вращения двигателя сопротивление постепенно снижается.

Наиболее примечательной характеристикой двигателя постоянного тока с последовательной обмоткой является то, что его скорость почти полностью зависит от крутящего момента, необходимого для приведения в движение нагрузки. Это подходит для больших инерционных нагрузок, поскольку двигатель ускоряется от максимального крутящего момента, а крутящий момент постепенно снижается по мере увеличения скорости.

Поскольку скорость последовательного двигателя может быть опасно высокой, последовательные двигатели часто имеют редуктор или прямое соединение с нагрузкой.

Двигатель с постоянными магнитами

Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами характеризуется линейной зависимостью между моментом опрокидывания, когда крутящий момент максимален при неподвижном валу, и скоростью холостого хода без приложенного крутящего момента вала и максимальной выходной скоростью. Между этими двумя точками оси скорости существует квадратичная степенная зависимость.

Защита

Чтобы продлить срок службы двигателя постоянного тока, защитные устройства и контроллеры двигателей используются для защиты его от механических повреждений, чрезмерной влаги, высоких диэлектрических напряжений и высоких температур или термических перегрузок. Эти защитные устройства определяют условия неисправности двигателя. и либо активировать сигнализацию, чтобы уведомить оператора, либо автоматически обесточить двигатель при возникновении неисправности. В условиях перегрузки двигатели защищаются тепловыми реле перегрузки . Биметаллические устройства защиты от тепловой перегрузки встроены в обмотки двигателя и изготовлены из двух разнородных металлов. Они сконструированы таким образом, что биметаллические полосы изгибаются в противоположных направлениях при достижении заданной температуры, чтобы разомкнуть цепь управления и обесточить двигатель. Нагреватели представляют собой внешние устройства защиты от тепловой перегрузки, включенные последовательно с обмотками двигателя и установленные в контакторе двигателя . Нагреватели ванны для пайки плавятся в условиях перегрузки, что приводит к обесточиванию двигателя цепью управления. Биметаллические нагреватели действуют так же, как встроенные биметаллические протекторы. Предохранители и автоматические выключатели являются устройствами защиты от перегрузки по току или короткого замыкания . Реле замыкания на землю также обеспечивают защиту от сверхтоков. Они контролируют электрический ток между обмотками двигателя и система заземление заземление . В мотор-генераторах реле обратного тока предотвращают разрядку аккумулятора и приведение в движение генератора. Поскольку потеря поля двигателя постоянного тока может вызвать опасный разгон или превышение скорости, выход из строя полевых реле подключаются параллельно полю двигателя для измерения тока возбуждения. Когда ток возбуждения уменьшится ниже заданного значения, реле обесточит якорь двигателя. Состояние заблокированного ротора предотвращает ускорение двигателя после начала последовательности запуска. Дистанционные реле защищают двигатели от неисправностей, вызванных блокировкой ротора. Защита двигателя от пониженного напряжения обычно встроена в контроллеры двигателя или пускатели. Кроме того, двигатели можно защитить от перенапряжений и скачков напряжения с помощью изолирующих трансформаторов , устройств стабилизации электропитания , MOV , разрядников и фильтров гармоник. Условия окружающей среды, такие как пыль, взрывоопасные пары, вода и высокие температуры окружающей среды, могут отрицательно повлиять на работу двигателя постоянного тока. Чтобы защитить двигатель от таких условий окружающей среды, Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) и Международная электротехническая комиссия (IEC) стандартизировали корпус двигателя. конструкции, основанные на защите окружающей среды, которую они обеспечивают от загрязняющих веществ. На этапе проектирования также можно использовать современное программное обеспечение, например Motor-CAD , чтобы повысить тепловой КПД двигателя.

Пускатели двигателей постоянного тока

Противо-ЭДС помогает сопротивлению якоря ограничить ток через якорь. Когда на двигатель впервые подается питание, якорь не вращается. В этот момент противо-ЭДС равна нулю, и единственным фактором, ограничивающим ток якоря, является сопротивление и индуктивность якоря. Обычно сопротивление якоря двигателя составляет менее 1 Ом; поэтому ток через якорь будет очень большим при подаче питания. Этот ток может привести к чрезмерному падению напряжения, влияющему на другое оборудование в цепи и даже к отключению устройств защиты от перегрузки.

Следовательно, возникает необходимость в дополнительном сопротивлении последовательно с якорем для ограничения тока до тех пор, пока вращение двигателя не сможет создать противо-ЭДС. По мере нарастания вращения двигателя сопротивление постепенно снижается.

Реостат с ручным запуском

1917 г. Реостат для ручного запуска двигателя постоянного тока с функциями отключения при нулевом напряжении и перегрузки .

Когда впервые были разработаны электрические технологии и двигатели постоянного тока, за большей частью оборудования постоянно обслуживался оператор, обученный управлению системами двигателей. Самые первые системы управления двигателями были почти полностью ручными: их запускал и останавливал обслуживающий персонал, чистил оборудование, устранял любые механические неисправности и т. д.

Первые пускатели двигателей постоянного тока также были полностью ручными, как показано на этом изображении. Обычно оператору требовалось около десяти секунд, чтобы медленно продвинуть реостат по контактам и постепенно увеличить входную мощность до рабочей скорости. Существовало два разных класса этих реостатов: один использовался только для запуска, а другой - для запуска и регулирования скорости. Пусковой реостат был дешевле, но имел элементы сопротивления меньшего размера, которые могли перегореть, если требовалось запустить двигатель на постоянной пониженной скорости.

Этот пускатель имеет функцию магнитного удержания при отсутствии напряжения, которая приводит к тому, что реостат переключается в выключенное положение в случае потери питания, так что двигатель в дальнейшем не пытается перезапуститься в положении полного напряжения. Он также имеет защиту от перегрузки по току , которая переводит рычаг в положение «выключено», если обнаруживается чрезмерный ток, превышающий установленное значение.

Трехточечный стартер

Входящие провода питания называются L1 и L2. Как следует из названия, к стартеру имеется только три соединения: одно к входному питанию, одно к якорю и одно к возбуждению. Соединения якоря называются А1 и А2. Концы катушки поля (возбуждения) называются F1 и F2. Для управления скоростью последовательно с шунтирующим полем включается полевой реостат. Одна сторона линии соединена с рычагом стартера. Рычаг подпружинен, поэтому он возвращается в положение «Выключено», если его не удерживать в каком-либо другом положении.

• На первом этапе плеча к шунтирующему полю прикладывается полное линейное напряжение. Поскольку реостат возбуждения обычно настроен на минимальное сопротивление, скорость двигателя не будет чрезмерной; кроме того, мотор будет развивать большой пусковой момент.
• Стартер также подключает электромагнит последовательно с шунтирующим полем. Он будет удерживать руку в нужном положении, когда рука вступит в контакт с магнитом.
• При этом это напряжение прикладывается к шунтирующему полю, а пусковое сопротивление ограничивает ток якоря.
• По мере того, как двигатель набирает скорость, возникает противо-ЭДС; рука медленно перемещается до короткого положения.

Четырехточечный стартер

Четырехточечный стартер устраняет недостаток трехточечного стартера. В дополнение к тем же трем точкам, которые использовались при трехточечном стартере, другая сторона линии, L1, является четвертой точкой, подводимой к стартеру, когда рычаг перемещается из положения «Выключено». Катушка удерживающего магнита подключается параллельно линии. Удерживающий магнит и пусковые резисторы работают так же, как и в трехточечном пускателе.

• Возможность случайного размыкания цепи возбуждения весьма мала. Четырехточечный пускатель обеспечивает защиту двигателя от отсутствия напряжения. В случае сбоя питания двигатель отключается от линии.

Оценка параметров и статистики

• В некоторых исследованиях предлагаются либо неинтеллектуальные оценки, которые зависят от модели, такие как расширенный фильтр Калмана (EKF). и наблюдатель Люенбергера, или интеллектуальные средства оценки, такие как каскадно-прямая нейронная сеть (CFNN) и квазиньютоновское обратное распространение ошибки BFGS.  .  

См. также

• Переменный ток
• Бесщеточный электродвигатель постоянного тока

Библиография

• Алжир, Польша (1949). «От §7-277 до §7-287 «Коллекторные двигатели переменного тока» в разделе 7 — Генераторы и двигатели переменного тока». В Ноултоне, А.Е. (ред.). Стандартный справочник для инженеров-электриков (8-е изд.). МакГроу-Хилл. стр. 826–831.
• Хамейер, Кей (2001). «§5.2 «Основные уравнения» в разделе 5 — Машина постоянного тока». Электрическая машина I: основы, конструкция, функции, работа . RWTH Ахенский университет, Институт электрических машин.
• Линн, К. (1949). «От §8-144 до §8-165 «Характеристики и регулирование двигателя» в разделе 8 — Генераторы и двигатели постоянного тока». В Ноултоне, А.Е. (ред.). Стандартный справочник для инженеров-электриков (8-е изд.). МакГроу-Хилл. стр. 826–831.
• Массачусетский технологический институт CIPD (2009). «Понимание характеристик двигателей постоянного тока» . Проектирование с использованием двигателей постоянного тока . Массачусетский технологический институт, мех. Инжиниринг, CIPD . Проверено 11 декабря 2008 г.

Внешние ссылки

• Как работают электродвигатели (получено из веб-архива 31/01 2014 г.)