Машины постоянного тока

Плюсы и минусы атмосферного двигателя

Атмосферный ДВС имеет массу преимуществ и несколько недостатков. К достоинствам двигателя относится:

• неприхотливость обслуживания – для обслуживания двигателя можно использовать не максимально качественные ГСМ, главное, чтобы они подходили мотору по своему составу;
• многократностью ремонта – атмосферный мотор способен выдержать большое количество мелких ремонтов, при этом собственник авто может выполнить их самостоятельно (в домашних условиях), без обязательного посещения СТО;
• износоустойчивостью – этот тип рассчитан на длительную эксплуатацию (несколько сотен тысяч километров);
• сохранение уровня мощности – ключевое преимущество изделия, выражающееся в сохранении мощности на малых оборотах мотора, реагированием на минимальное нажатие педали акселератора, переходом от малых до больших оборотов на короткий временной промежуток.

Кроме положительных моментов, этот тип моторов имеет и отрицательные стороны. К ним относится:

• масса изделия – атмосферные моторы, в сравнении с другими разновидностями двигателей, отличаются большим весом, не имея при этом преимущества в объеме и мощности;
• поддержка динамики и мощности на максимальном уровне – в условиях разреженного воздуха, атмосферные моторы не способны поддерживать мощность на максимальной отметке, теряя при этом и уровень динамики;
• продукт выхлопа – при работе атмосферного двигателя создается в большом количестве побочный продукт (выхлопной газ), загрязняющий воздушные массы.

(двигатель внутреннего сгорания) является тепловой машиной и работает по принципу сжигания смеси топлива и воздуха в камере сгорания. Главной задачей такого устройства выступает преобразование энергии сгорания топливного заряда в механическую полезную работу.

Не смотря на общий принцип действия, сегодня существует большое количество агрегатов, которые существенно отличаются друг от друга благодаря целому ряду индивидуальных конструктивных особенностей. В этой статье мы поговорим о том, какие бывают двигатели внутреннего сгорания, а также в чем состоят их главные особенности и отличия.

Читайте в этой статье

Модель ДПТ

Из теоретических основ видно, что для электродвигателя присутствие постоянного магнитного поля обязательно. Для этого в маломощных ДПТ применяют постоянные магниты. Для средне- и высокомощных агрегатов требовались бы очень громоздкие магниты, поэтому их заменяют обмоткой возбуждения, иногда – индуктором. По ним пропускают ток, и они формируют магнитное поле.

Элеентарная модель ДТП – это однородное магнитное поле, внутрь которого поставлена рамка. По ней пускают ток. Сначала она оборачивается, а достигнув положения «горизонтально» – останавливается. Такое положение называют мертвой точкой. Останавливается рамка потому, что по одной стороне ток течет в одну сторону, а с другой – в противоположную. Это значит, что они образуют взаимообратные поля. Они возмещают действия друг друга, и движение прекращается. Чтобы оно было бесконечным, необходима еще одна рамка, сцепленная с первой. Тогда всегда какая-то из двух рамок будет создавать разнородность в поле, которая будет заставлять двигаться рамочную систему целиком.

В чем ключевое отличие синхронного двигателя от асинхронного

Главное отличие синхронного от асинхронного двигателя заключается в устройстве ротора.

Роторы синхронных двигателей представляют собой постоянные или электрические магниты. Постоянное магнитное поле, создаваемое ими, взаимодействует с вращающимся магнитным полем статора.

В случае с асинхронным двигателем (который также называют индукционным) в пазы ротора вставляются короткозамкнутые металлические пластины. Кроме короткозамкнутой разновидности, применяются также фазные роторы, снабженные контактными кольцами, которые после разбега замыкаются накоротко.

В результате соотношение частоты оборотов двигателя, находящегося под нагрузкой, с частотой вращения, которая присуща магнитному полю статора, для разных типов двигателя следующее:

• равное для агрегатов синхронного типа;
• неравное для асинхронных двигателей (наблюдается постоянное отставание от скорости вращения магнитного поля статора, равное величине скольжения).

На основе понимания того, чем отличается асинхронный двигатель от синхронного, можно сформулировать главные преимущества и недостатки этих двигателей.

Прямой пуск электромотора

Маломощный электрический мотор (до одного киловатта) проще всего включить напрямую. Как и подключение трехфазного двигателя 380В, такой запуск электромотора постоянного тока П предусматривает подачу напряжения от источника питания непосредственно на рабочую обмотку. Поскольку отсутствует естественная компенсация за счет противодействующей электродвижущей силы, пусковой ток достигает максимального значения. 

Если рассматривать прямое включение с точки зрения физики, то ситуация выглядит следующим образом. Изначально при старте мотора сила тока имеет значение, определяемое по формуле: І=U/R, где U – номинальное напряжение, R – сопротивление катушек. При этом токовая нагрузка достигает максимальной величины и может более чем в два раза превышать номинал.

Дальнейшее протекание тока инициирует возникновение электродвижущей силы противодействия, которая выступает в роли своеобразного тормоза, нормализующего стартовую нагрузку до номинальной мощности. Расчет силы тока теперь выполняется по другой формуле: І=U-Е/R, где Е – ЭДС противодействия.

В мощных силовых агрегатах, например, крановых двигателях ДК213МД2 сопротивление роторных обмоток может достигать одного Ома, что провоцирует возникновение пускового тока до 500 ампер, что в десятки раз превышает допустимое значение. Это может вызвать термическое опускание металла, оплавление и деформацию проводов, порчу контактных щеток и колец, а также создает повышенную опасность поражения электрическим током обслуживающего персонала. Поэтому для включения электромоторов средней (например, серии Д) и большой мощности рекомендуется использовать реостаты, специальные регуляторы или заведомо низкое напряжение. Прямой пуск для них противопоказан.

Виды электродвигателей: какой лучше

Описаны только основные виды электродвигателей и даны краткие характеристики, очень сжато описано устройство и принцип работы. Тем не менее, уже можно сделать выводы о том, что идеального решения, причём для всех случаев, просто нет. Есть наиболее подходящее для каждого конкретного случая.

• Асинхронный электродвигатель без частотного регулирования – лучший выбор для насосов.
• Коллекторный двигатель с его регулируемыми скоростями вне конкуренции для дрелей и пылесосов. И то, в последнее время стали делать с вентильными, они без щеток, что делает работу тише, срок службы дольше, хотя цену выше. Так что, тут, как посмотреть.

  Выбирать вид электродвигателя надо под каждый конкретный случай

• Для вентиляторов с длительным режимом работы выбирать приходится между асинхронных и вентильных. Но только если они не слишком мощные. Для мощных важным является возможность разделения на секции, а это проще реализовать у вентильных. И даже на кулерах стали в последнее время использовать вентильные с магнитным ротором.

В общем, чтобы ответить какой лучше, надо рассматривать совокупность условий и характеристик работы

Принимать во внимание достоинства и недостатки, перебирать все виды электродвигателей и только так можно найти оптимальный

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

,

• где M – вращающий момент, Нм,
• F – сила, Н,
• r – радиус-вектор, м

Справка: Номинальный вращающий момент М_ном, Нм, определяют по формуле

,

• где P_ном – номинальная мощность двигателя, Вт,
• n_ном — номинальная частота вращения, мин-1

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

Справка: В английской системе мер сила измеряется в унция-сила (oz, ozf, ounce-force) или фунт-сила (lb, lbf, pound-force)

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Мощность электродвигателя постоянного тока

Механическая мощность

Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

,

• где P – мощность, Вт,
• A – работа, Дж,
• t — время, с

Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы .

,

где s – расстояние, м

Для вращательного движения

,

где – угол, рад,

,

где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Справка: Номинальное значение — значение параметра электротехнического изделия (устройства), указанное изготовителем, при котором оно должно работать, являющееся исходным для отсчета отклонений.

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя — характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

,

• где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
• P₁ — подведенная мощность (электрическая), Вт,
• P₂ — полезная мощность (), Вт

• При этом

потери в электродвигатели обусловлены:
электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

,

• где J – момент инерции, кг∙м2,
• m — масса, кг

Справка: В английской системе мер момент инерции измеряется в унция-сила-дюйм (oz∙in∙s2)

1 oz∙in∙s2 = 0,007062 kg∙m2 (кг∙м2)

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

,

где – угловое ускорение, с-2

,

Справка: Определение момента инерции вращающейся части электродвигателя описано в ГОСТ 11828-86

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики .

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

,

где – постоянная времени, с

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Рабочие моменты

Давайте разберем некоторые характеристики и особенности машин постоянного тока.

Пуск и режим реверса

К электрическому двигателю подключен регулятор оборотов

В момент, когда двигатель запускается, якорь имеет неподвижное положение, а значит, ЭДС в нем равна нулю. Из-за того, что сопротивление якорной обмотки очень маленькое, пусковой тока якоря намного превышает номинальный. Если представить себе такой пуск двигателя, то он однозначно бы вышел из строя.

• Чтобы такого не происходило, пусковой ток в двигателях постоянного тока с параллельным возбуждением ограничивается за счет включенного в цепь пускового реостата.
• Пуск при этом необходимо производить при номинальном значении магнитного потока, благодаря чему увеличивается пусковой момент и быстро растет ЭДС в обмотке якоря. В результате двигатель разгоняется быстрее, а время, когда проходит большой пусковой ток по обмотке сокращается.
• Когда разгон двигателя завершается, реостат выводится из цепи – делается это либо плавно, либо ступенчато.
• Для того чтобы остановить двигатель, достаточно отключить подачу питания к нему.
• Для любого электрического двигателя доступен режим вращения в обратном направлении – реверс. Для этого нужно всего лишь изменить направление тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке статора.

Потери мощности и КПД

Даже самый технически совершенный двигатель постоянного тока не может работать без потерь мощности

Любой двигатель или генератор постоянного тока работает с потерями мощности. Их делят на два типа: основные и добавочные.

• К первым относят магнитные, электрические и механические.
• Магнитные потери, происходящие в стали обозначают ΔРс. Происходят они из-за того, что во время вращения сердечник на якоре постоянно перемагничивается, поэтому возникают потери на гистерезис и вихревые токи.
• Электрические потери (ΔРэл) происходят из-за активного сопротивления обмоток, а также сопротивления щеточного контакта, то есть данное значение представляется в виде суммы указанных потерь.
• Механические (ΔРмех) включают потери на трение подшипников, трение щеток о коллектор, трение вращающегося якоря о воздух (и такое есть) и вентиляционные потери.
• Все остальные потери называются добавочными и связаны они в основном с взаимодействием различных частей агрегата с магнитным полем.

Потери незначительны при отсутствующей нагрузке

Для расчета каждого типа потерь применяются специальные формулы. Мы не будем так глубоко вдаваться в суть, а скажем лишь, что КПД машины постоянного тока определяется отношением отдаваемой мощности, к потребляемой. Выражают данное значение обычно в процентах.

Современные машины постоянного тока стали очень эффективными. КПД у них обычно варьируется в пределах 75-90%.

Рабочие характеристики

Рабочие характеристики ДПТ

Рабочие характеристики представляют собой следующие зависимости:

• Скорости вращения, потребляемого тока и мощности двигателя;
• КПД от полезной мощности при условии, что напряжение питания неизменно.
• Тока обмотки возбуждения и отсутствия добавочного сопротивления в цепи якоря.

Все эти параметры позволяют говорить о свойствах двигателей в режиме эксплуатации, а также находить оптимальные и экономичные режимы их работы.

Регулировка скорости вращения двигателя

Принципиальная схема регулятора оборотов вращения

Регулировать скорость вращения машины постоянного тока можно тремя способами: изменение напряжения сети, реостатное регулирование, изменение магнитного потока. Давайте обо всем по порядку.

• Изменение напряжения осуществляется за счет устройств, которые могут, собственно, менять величину напряжения.
• Реостатное регулирование, как мы уже упоминали по ходу статьи, нуждается во введении в цепь якоря дополнительных резисторов активного типа, то есть меняющих свои характеристики при определенных условиях.
• Регулирование магнитного потока происходит за счет уменьшения тока возбуждения.

Конечно, мы назвали не все характеристики машин постоянного тока, а лишь основные, но для ознакомления с этими агрегатами этого вполне достаточно.

Видео в этой статье продемонстрирует, как работают данные устройства.

Принцип работы синхронного двигателя

В основу его функционирования положено взаимодействие вращающегося магнитного поля якоря и магнитных полей индукторных полюсов. Обычно якорь находится в статоре, а индуктор распологается в роторе. Для мощных моторов используются электрические магниты для полюсов, а для слабых — постоянные.

Принцип работы синхронного двигателя включает в себя (кратковременно) и асинхронный режим, который обычно применяют для разгона до необходимой (то есть номинальной) скорости вращения. В это время индукторные обмотки замыкаются накоротко или посредством реостата. После достижения необходимой скорости индуктор начинают питать постоянным током.

Как работают двигатели

Принцип работы всех видов электродвигателей состоит во взаимодействии магнитных полей ротора и статора. При этом магнитное поле может создаваться постоянным магнитном или обмоткой (катушка-электромагнит).

В зависимости от мощности и типа мотора обмотки могут быть расположены только на статоре или и на статоре и на роторе. Попытаемся объяснить устройство и принцип работы для чайников в электрике.

Начнем с того, что рассмотрим устройство коллекторных электродвигателей. Например, в маленьких коллекторных двигателях постоянного тока, как для радиомоделей, на статоре расположены постоянные магниты, а в роторе намотаны катушки из медного провода. Ток к катушкам ротора такого электродвигателя подаётся через щеточный узел, состоящий из щеток и коллектора. На коллекторе расположены ламели, к которым присоединены выводы обмоток.

После включения питания ротор (якорь) начинает вращаться, на нём закреплен коллектор, а неподвижные щетки касаются попеременно разных пар ламелей коллектора. Через щетки и ламели к обмоткам ротора подаётся ток то на одну обмотку, то на другую, таким образом создавая изменяющееся магнитное поле, которое взаимодействует с полем магнита. В результате полюса вращающегося и неподвижного электромагнитов притягиваются, из-за чего и происходит вращение.

Если опустить некоторые нюансы, то чем больше ток ротора, тем больше это поле и тем быстрее вращается ротор. Однако это применимо в основном для коллекторных машин постоянного и переменного токов (они универсальны).

Если говорить об асинхронном двигателе (АД) с короткозамкнутым ротором — это электродвигатель переменного тока без щеток. В нем обмотки расположены на статоре (а), а ротор представляет собой стержни (б), замкнутые на коротко кольцами — так называемая беличья клетка.

В этом случае вращающееся магнитное поле статора порождает ток в стержнях ротора, из-за которого также возникает еще одно магнитное поле. А что происходит, когда рядом расположены два магнита?

Они отталкиваются или притягиваются друг к другу. Так как ротор закреплен на концах в подшипниках, то ротор начинает вращаться. АД предназначен только для переменного тока, и скорость вращения вала у него зависит от частоты тока и числа полюсов в обмотках статора, подробнее этот вопрос мы рассмотрим в статье об асинхронных электродвигателях.

Но для начала вращения вала такого двигателя важно либо толкнуть его (придать начальную скорость), либо создать вращающееся магнитное поле. Оно создаётся с помощью расположенных определенным образом обмоток, подключенным к трёхфазной электросети (например, 380В), или с помощью пусковых и рабочих конденсаторов (в т.н

конденсаторных асинхронных двигателях).

Кроме взаимодействия магнитных полей в во вращении вала электродвигателя участвует и сила Ампера.

Поэтому нужно понимать, что момент на валу абстрактного двигателя и число оборотов зависят от конструкции и вида электромашины, а также от силы тока и его частоты. Повторюсь, что в этой статье мы не будем углубляться подробно в особенности устройства каждого из видов и типов электродвигателей, а сделаем отдельные статьи для этого.

Стоит отметить, что асинхронные и универсальные коллекторные двигатели наиболее распространены в быту и на производстве, в приводах строительных машин. Они используются везде, как для движения промышленных механизмов, так и для автомобилей, электротранспорта и используемых в бытовой технике, вплоть до электрической зубной щетки.

Принцип преобразования энергии

Принцип работы электродвигателя любого типа заключается в использовании электромагнитной индукции, возникающей внутри устройства после подключения в сеть. Для того чтобы понять, как эта индукция создается и приводит элементы двигателя в движение, следует обратиться к школьному курсу физики, объясняющему поведение проводников в электромагнитном поле.

Итак, если мы погрузим проводник в виде обмотки, по которому движутся электрические заряды, в магнитное поле, он начнет вращаться вокруг своей оси. Это связано с тем, что заряды находятся под влиянием механической силы, изменяющей их положение на перпендикулярной магнитным силовым линиям плоскости. Можно сказать, что эта же сила действует на весь проводник.

Схема, представленная ниже, показывает токопроводящую рамку, находящуюся под напряжением, и два магнитных полюса, придающие ей вращательное движение.

Картинка кликабельна.

Именно эта закономерность взаимодействия магнитного поля и токопроводящего контура с созданием электродвижущей силы лежит в основе функционирования электродвигателей всех типов. Для создания аналогичных условий в конструкцию устройства включают:

• Ротор (обмотка) – подвижная часть машины, закрепленная на сердечнике и подшипниках вращения. Она исполняет роль токопроводящего вращательного контура.
• Статор – неподвижный элемент, создающий магнитное поле, воздействующее на электрические заряды ротора.
• Корпус статора. Оснащен посадочными гнездами с обоймами для подшипников ротора. Ротор размещается внутри статора.

Для представления конструкции электродвигателя можно создать принципиальную схему на основе предыдущей иллюстрации:

После включения данного устройства в сеть, по обмоткам ротора начинает идти ток, который под воздействием магнитного поля, возникающего на статоре, придает ротору вращение, передаваемое на крутящийся вал. Скорость вращения, мощность и другие рабочие показатели зависят от конструкции конкретного двигателя и параметров электрической сети.

Плюсы – минусы

Технические характеристики асихронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором настолько превосходят показатели синхронных, что большинство приводов сделаны на их основе.

Плюсы таких устройств таковы:

• Надежность, простота конструкции, долговечность;
• Отсутствие сложностей в ремонте и обслуживании;
• Переключением 2-х фаз можно заставить вал вращаться в противоположную сторону;
• Применение в качестве генератора.

Недостатки или минусы также имеются:

• При неправильной фазировке, вал может вращаться в ненужную сторону и заклинить прочую механику (шестерни);
• Пусковой ток, превышающий номинальный до пяти раз;
• Скорость разгонки и торможения. На некоторые устройства с большой инерцией нужны движки большей мощности.
• При обрыве фазы, двигатель может сгореть если своевременно не отключить подачу напряжения.

Электродвигатели постоянного тока

Электрическая мощность в моторе преобразуется в механическую, заставляющую его вращаться, а часть этой мощности расходуется на нагревание проводника. Конструкция двигателя электрического постоянного тока включает якорь и индуктор, которые разделяют воздушные зазоры. Индуктор, состоящий из добавочных и главных полюсов, и станины, предназначен для создания магнитного поля. Якорь, собранный из отдельных листов, обмотка рабочая и коллектор, благодаря которому постоянный ток подводится к рабочей обмотке, образуют магнитную систему. Коллектор – это насаженный на вал двигателя цилиндр, собранный из изолированных друг от друга медных пластин. К его выступам припаиваются концы обмотки якоря. Ток с коллектора снимается при помощи щеток, закрепленных в определенном положении в щеткодержателях, благодаря чему обеспечивается нужный прижим на поверхность коллектора. Щетки с корпусом двигателя соединяются с помощью траверса.

Щетки, в процессе работы, скользят по поверхности вращающегося коллектора, переходя от одной его пластины к другой. При этом, в параллельных секциях обмотки якоря происходит изменение тока (когда щетка накоротко замыкает виток). Процесс этот называют коммутацией.

Под влиянием своего магнитного поля, в замкнутой секции обмотки возникает ЭДС самоиндукции, вызывающая появление дополнительного тока, который на поверхности щеток распределяет неравномерно ток, что приводит к искрению.

Два первых способа встречаются намного чаще третьего, ввиду его неэкономичности. Ток возбуждения регулируется при помощи любого устройства, у которого возможно изменять активное сопротивление (например, реостата). Регулирование при помощи изменения напряжения требует наличие источника постоянного тока: преобразователя или генератора. Такое регулирование применяют во всех промышленных электроприводах.