Электрическая схема двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

Схема двигателя постоянного тока

Электродвигатели, работающие на постоянном токе, используются не так часто, как двигатели переменного тока. Ниже приведем их достоинства и недостатки.

В быту двигатели постоянного тока нашли применение в детских игрушках, так как источниками для их питания служат батарейки. Используются они на транспорте: в метрополитене, трамваях и троллейбусах, автомобилях. На промышленных предприятиях электродвигатели постоянного тока применяются в приводах агрегатов, для бесперебойного электроснабжения которых используются аккумуляторные батареи.

1. Конструкция и обслуживание двигателя постоянного тока
2. Схемы включения двигателя постоянного тока
3. Независимое возбуждение
4. Параллельное возбуждение
5. Последовательное возбуждение
6. Смешанное возбуждение

ДПТ с последовательным возбуждением

При подключении по данной схеме ОВ соединена последовательно цепи якоря (рис.3), при этом ток якоря равен току возбуждения. В связи с этим ОВ изготавливают из провода толстого сечения. Данную схему используют, если требуется обеспечить большой пусковой момент. При уменьшении нагрузки на валу меньше 25% от номинальной, частота вращения резко увеличивается и достигает опасных для двигателя значений. Характеристика ДПТ с последовательным возбуждением “мягкая”.

Поведение электромотора при изменении нагрузок

Механическая характеристика показывает устойчивость работы электромотора в широком диапазоне изменения нагрузок, описывая зависимость момента, создаваемого эл двигателем, от скорости функционирования вала.

Тяговые характеристики механизма рассматриваемого типа позволяют сохранить величину момента при значительных изменения количества оборотов. Обычно тяговые параметры агрегата должен обеспечивать уменьшение этого параметра не более чем на 5 %. Несложное исследование демонстрирует: тормозные параметры из-за обратимости процессов оказываются аналогичными. Эти положения распространяются также на случай применения смешанного возбуждения.

Говоря иными словами, для такого эл мотора характерна жесткая характеристика. Такой характер работы считается важным преимуществом агрегата рассматриваемого типа.

Двигатели постоянного тока

Главная > Документ

Лабораторная работа 20 ( Lr 20)

ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Снять и построить механическую и рабочие характеристики элек­тро­дви­гателя постоянного тока (ДПТ). Изучить модель ДПТ параллельного возбуждения и исследовать её работу в переходных режимах.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДПТ

Двигатели постоянного тока до сих пор находят широкое применение, хотя они значительно дороже и менее надёжны, чем асинхронные и синхронные. Преимущество ДПТ  возможность плавного и экономичного регулирования в широком диапазоне частоты вращения вала и создания боль­шого пускового момента при относительно небольшом пусковом токе. Поэтому их широко используют в электротранспорте, для привода прокатных станов, металлорежущих станков и т. д. Двигатели небольшой мощности применяют во многих системах автоматики.

Недостаток ДПТ  наличие щёточно-коллекторного аппарата, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надежность машины.

Основными частями двигателя постоянного тока являются статор и якорь, отдалённые друг от друга воздушным зазором (0,3…0,5 мм).

С
татор  э то стальной ци­линдр 1 , внутри которого крепятся главные по­люса 2 с полюсными наконечниками 3 , образуя вместе с корпусом маг­нитопровод машины (рис. 20.1, а ). На главных полюсах расположены после­до­вательно соединённые катушки обмотки возбуждения 4 , предназначенные для создания неподвижного магнитного потока Ф в машины. Концы Ш1 и Ш2 обмотки возбуждения (ОВ) выводят на клем­мный щиток, расположенный на корпусе машины. Помимо основных полюсов внутри статора располагают дополнительные полюса 9 с обмотками 10 , которые служат для уменьшения искрения в скользящих контактах (между щётками и кол­лек­тором).

Якорь (подвижная часть машины)  это цилиндр 5 , набранный из лис­­­­тов электротехнической стали, снаружи которого имеются пазы, в которые уложена якорная обмотка 11 (рис. 20.1). Отводы обмотки якоря припа­ива­ют к пластинам коллектора 6 , расположенного на вращающемся в подшипни­ках валу 7 . Коллектор представляет собой цилиндр, набранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала и закреплённых (по тех­но­логии «ласточкина хвоста») на стальной втулке. Коллектор играет роль механического выпрямителя переменной ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря.

К коллектору с помощью пружин прижимаются неподвижные медно-графитовые щётки 8 , соединённые с клеммами Я1 и Я2 щитка. Образовавшиеся скользящие контакты дают возможность соединить вращающу­юся обмотку якоря (ОЯ) с электрической цепью (снять выпрямленное напряжение с коллектора (генераторный режим) или соединить якорную обмотку с источником постоянного напряжения и распределить токи в стер­жнях ОЯ таким образом, чтобы их направления под разноименными полюсами были бы противоположными (двигательный режим)).

Суммарное сопротивление цепи якоря R я = 0,5…5 Ом.

Часть машины, в которой индуктируется ЭДС, принято называть яко­рем , а часть машины, создающей основное магнитное поле (магнитный поток) – индуктором . В машинах постоянного тока якорем является ротор, а индуктором – статор.

В
зависимости от того, как обмотка возбуждения ОВ включена относительно сети и якоря, различают МПТ независимого возбуждения (ОВ к якорю не подключена) и МПТ с самовозбуждением , которое подразделяется на параллельное, последовательное и смешанное. На рис. 20.2 приведе­­ны электрические схемы возбуждения указанных типов МПТ.

При подаче постоянного напряжения U к зажимам ДПТ в обмотках возбуждения ОВ и якоря протекают токи I я и I в (рис. 20.3). В результате взаимодействия тока якоря с магнитным потоком, созданным магнитодвижущей силой (МДС) обмотки возбуждения, возникает электромагнитный момент двигателя, под действием которого якорь приходит во вращение. Средний электромагнитный момент (в Нм), действующий на якорь ДПТ, по обмотке которого протекает ток I я ,

(20.1)

где F с  среднее значение силы в ньютонах (Н), действующей на якорь, которая согласно закону Ампера возникает при взаимодействии тока якоря с магнитным потоком машины; d  диаметр якоря, м.

После преобразования выражения (20.1) получим

(20.2)

где р  число пар полюсов машины; а и N  число пар параллельных ветвей и число проводников обмотки якоря; Ф в  магнитный поток одного полюса статора, Вб; n  частота вращения якоря, об/мин; С М = pN /2  a  коэффициент момента, зависящий от конструктивных особенностей машины.

Из выражения (20.2) следует, что электромагнитный момент ДПТ пря­мо пропорционален произведению магнитного потока Ф в на ток якоря I я .

При вращении якоря проводники якорной обмотки пересекают магнитные силовые линии потока Ф в , вследствие чего в проводниках индуктируется противоэлектродви­жущая сила где n  час­тота вращения яко­ря, об/мин; С Е = pN /60 a – конструктивный коэффициент противоЭДС.

Для ДПТ параллельного возбуждения (рис. 20.2, б ) ток якоря

(20.3)

где U  напряжение, подводимое к элек­­тродвигателю, В; R я  соп­роти­в­ле­ние обмотки якоря, Ом.

В начальный момент пуска ДПТ частота вращения якоря n = 0, поэтому противоэлектродвижущая сила в (20.3) Е я = 0. Чтобы ограничить недопустимо большой пусковой ток I яп = = U / R я в обмотке якоря, последовательно с якорем включают пусковой реостат R п .

В этом случае пусковой ток якоря

По мере разгона двигателя ЭДС якоря Е я увеличивается и сопротивление пускового реостата уменьшают до нуля.

2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДПТ

Электромеханические свойства ДПТ определяются его скоростной харак­терис­тикой n ( I я ), представляющей зависимость частоты вращения n от тока якоря I я при U = const и I в = const .

Уравнение естественной скоростной характеристики получают из выражения (20.3), решив его относительно частоты вращения

(20.4)

С ростом нагрузки падение напряжения R я I я в цепи якоря возрастает, но при этом магнитный поток Ф в уменьшается вследствие реакции якоря, под которой понимают воздействие магнитного потока якоря Ф я на магнитный поток Ф в , создаваемый током возбуждения. Так как падение напряжения в цепи якоря R я I я обычно оказывает более сильное влияние на частоту вращения якоря n , чем реакция якоря, то скоростная характеристика n = ( I я ) имеет вид прямой падающей линии (см. рис. 20.5).

Важнейшей характеристикой ДПТ является механическая n ( M ), представляющая зависимость частоты вращения n якоря от развиваемого ДПТ мо­мен­та вращения М при условии постоянства напряжения и соп­ротив­лений в цепи якоря и в цепи воз­бу­ж­дения. Заменив ток I я в (20.4) значением из выражения вращающего момента М = С M Ф в I я , получим уравне­ние естественной механической характеристики

(20.5)

Естественная механическая характеристика n = ( M ) двигателя постоянного тока параллельного возбуждения выведена при условии, что момент холостого хода М 0 = 0, а электромагнитный момент примерно равен моменту на валу двигателя, т. е. М эм  М , где n 0  час­тота вращения якоря двигателя на холостом ходу при допущении, что падение нап­ряжения R я I я в якоре отсутствует;  n  уменьшение частоты вращения якоря дви­га­теля при соответствующем увеличении моме­нта вращения М ; С Е , С М  конструктивные коэффици­енты элек­тродвигателя.

Если принять магнитный поток машины постоянным, т. е. Ф в = const при токе возбуждения I вн = const , то естественная механическая харак­теристика представляет собой прямую линию (см. кривую 1 на рис. 20.4), наклон которой по отношению к оси абсцисс определяется отношением

При переходе двигателя от режима холостого хода к номинальной нагрузке частота вра­щения якоря n снижается всего лишь на 2…8%, т. е. двигатель постоянного тока параллельного возбуждения обладает жёсткой механической характеристикой.

При введение пускового реостата в цепь якоря уменьшается жесткость механической характеристики (см. реостатные механические характеристики 2 … 4 на рис. 20.4), что приводит к снижению частоты вращения при определенном моменте сопротивления М с на валу, создаваемом, например, определенным током электромагнитного тормоза ЭМТ (см. рис. 20.3).

Практическое значение имеют рабочие характеристики ДПТ.

Зависимость М = f ( I я ) называется моментной характеристикой двигателя. При установившемся режиме работы двигателя электромагнитный момент вращения М связан с током якоря I я выражением

М эм = С М I я Ф в = М 0 + М .

Момент холостого хода М 0 мало изменяется при нагрузке; он опре­деляется мощ­но­стью Р , потре­бляемой двигателем из сети в режиме холостого хода. Так как отноше­­ние М 0 /М н  3…8%, то, пренебрегая моментом М 0 , можно принять М эм  М = С М I я Ф в . При этом условии построение характеристики М = ( I я ) начинают из начала координат (рис. 20.5). С увеличением тока I я в якорной обмотке магнитный поток Ф в уменьшается за счет размагничивающего действия реакции якоря, а потому моментная характеристика растёт медленнее, чем ток I я , отклоняясь от прямой (пунк­тирной) линии (см. рис. 20.5).

Характеристика коэффициента по­лез­ного действия  = ( I я ) нара­стает очень быстро при росте нагрузки от нуля (режим холостого хода) до 0,5 I ян и достигает наибольшего значения в пределах от 0,5 до 0,8 номинальной нагрузки, а затем медленно падает вследствие роста переменных потерь (см. рис. 20.5).

В некоторых случаях удобнее пользоваться зависимостью частоты вращения n , электромагнитного момента М , тока якоря I я и КПД  двигателя от полезной мощности на валу Р 2 при U = const и I в = const .

3. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ ДПТ

При программировании модели ДПТ параллельного возбуждения использовались каталожные параметры и следующие расчетные формулы:

момент холостого хода М 0 = (0,03…0,08) М н ; индуктивность обмотки яко­ря не учитывалась; сопротивление пускового реостата R n , где электро­маг­­нитный момент дви­гателя М эм = С М I я Ф в = М 0 + М ; установившаяся частота вращения якоря текущая частота п вычислялась (посредством численного мето­да Эйлера) из уравнения динамики ДПТ: М  вращающий момент двигателя; М с  момент сопротивления на валу двигателя, при­нятый независимым от угловой скорости  и от времени t ; J  суммарный момент инерции в кгм 2 , пере­считанный к валу двигателя.

В
соответствии с вариантом задания тип ДПТ параллельного возбуждения выбирается из приведенного в программе списка. Предусмотрен также ввод вручную параметров проектируемого двигателя. На рис. 20.6 представлены общий вид интерфейса, каталожные параметры и дина­мические характеристики двигателя типа 2ПН90М, выбранного из списка двигателей параллельного возбуждения. Пуск двигателя был выполнен при моменте сопротивления на валу М с = 3 Нм и введенном пусковом реостате R п (пусковой ток I п = 2,5 I ян , ток возбуждения I в = I вн = const ).

После вывода пускового реостата частота вращения якоря увеличилась до 3000 об/мин. Затем пусковой реостат был полностью введен в цепь якоря и медленно выведен. Далее, момент сопротивления М с был увеличен до 4 Нм, уменьшен сначала до 3 Нм, а затем до нуля и, наконец, увеличен до 3 Нм.

Анализ графиков частоты вращения n , вращающего момента М и тока якоря I я от времени, а также текущих параметров двигателя показывает, что расчетная модель адекватно отображает как статические, так и динамические электромагнитные процессы в двигателе.

Схема для подключения двигателя с возбуждением параллельным

Она аналогична предыдущей, но не имеет отдельного источника питания.

Когда требуется большой пусковой ток, применяют двигатели с возбуждением последовательным: в городском электротранспорте (троллейбусах, трамваях, электровозах).

Токи обоих обмоток в этом случае одинаковы. Недостаток – требуется постоянная нагрузка на вал, поскольку при ее уменьшении на 25%, резко увеличивается частота вращения и происходит отказ двигателя.

Есть еще моторы, которые крайне редко используются — со смешанным возбуждением. Их схема представлена ниже.

Коллекторные электродвигатели постоянного тока параллельного возбуждения ПЛ-06

Общие сведения

Коллекторные электродвигатели постоянного тока ПЛ-06 предназначены для привода различных механизмов и аппаратов.

Структура условного обозначения

ПЛ-06Х 1 Х 2 4:
ПЛ — электродвигатель постоянного тока с литым корпусом;
06 — габарит;
Х 1 — номер длины пакета;
Х 2 — климатическое исполнение по ГОСТ 15150-69: УХЛ, О;
4 — категория размещения по ГОСТ 15543-70.

Условия эксплуатации

Окружающая среда невзрывоопасная, не содержащая токопроводящей пыли в концентрациях, снижающих параметры двигателя в недопустимых пределах.
Степень защиты IР10 по ГОСТ 17494-72.
Режим работы продолжительный (S1) по ГОСТ 183-74.
Двигатели без повреждений и остаточных деформаций в течение 2 мин выдерживают аварийное повышение частоты вращения до 1,2 номинального значения.
Предельное отклонение напряжения питания от номинального значения составляет ± 10%.
Направление вращения любое со стороны привода.
Двигатели соответствуют группе условий эксплуатации М1 по ГОСТ 17516-72.
Конструктивное исполнение по способу монтажа — IМ2181 и IМ3681 по ГОСТ 2479-79.
Средний уровень звука двигателей соответствует I классу ГОСТ 16264.0-85.
Среднее квадратичное значение вибрационной скорости двигателей — 4,5 мм/с по ГОСТ 16264.0-85.
Степень искрения при коммутации в номинальном режиме работы двигателей не выше 11/2 по ГОСТ 183-74.
Превышение температуры обмоток и коллектора двигателей над верхним значением температуры окружающей среды не более допустимого значения по ГОСТ 183-74.
Способ охлаждения двигателей IСА01 по ГОСТ 20459-75.
Двигатели, поставляемые для внутреннего рынка и на экспорт, соответствуют требованиям ТУ 16-513.459-78 и ГОСТ 16264.3-85;
двигатели, поставляемые на экспорт, дополнительно соответствуют требованиям ОСТ 16 0.800.210-83.
Конструкция электродвигателей по технике безопасности отвечает ГОСТ 12.2.007.0-75 и ГОСТ 12.2.007.1-75, по пожаробезопасности — ГОСТ 12.1.004-85.
Эксплуатация двигателей должна проводиться согласно «Правилам технической эксплуатации электроустановок потребителей», утвержденным Госэнергонадзором, или инструкции по монтажу и эксплуатации для двигателей, предназначенных на экспорт.

Нормативно-технический документ

ТУ 16.513.459-78,ГОСТ 16264.3-85,ОСТ 160.800.210-83

Технические характеристики

Основные технические данные двигателей приведены в таблице.

Схема подключения электродвигателя и помехоподавляющего устройства к сети
а — при правом вращении со стороны привода;
б — при левом вращении со стороны привода
Средняя наработка — 3000 ч.
Гарантийный срок службы двигателей, предназначенных для внутреннего потребления, — 3 года со дня ввода двигателей в эксплуатацию, но не более 3,5 лет со дня поступления потребителю.
Гарантийный срок службы двигателей, поставляемых на экспорт, — 2,5 года со дня пуска в эксплуатацию, но не более 3 лет с момента проследования через государственную границу.

Станина электродвигателей серии ПЛ образуется путем обливки алюминиевым сплавом сердечника статора под давлением при одновременной опрессовке статорных листов. Листы статора имеют два полюса.
Сердечник статора цилиндрической формы с аксиальными вентиляционными каналами.
Лапы из алюминиевого сплава крепятся к статору винтами, которые ввертываются в стальную планку, расположенную в аксиальном канале между сердечником статора и станиной.
Обмотка возбуждения выполняется в виде изолированных катушек, надеваемых на полюсы. Изоляция класса Е.
Сердечник якоря состоит из насаженных на вал листов якоря. Пазы полузакрытые. Обмотка всыпная из круглого провода, закрепленного в пазах текстолитовыми клиньями.
Коллектор состоит из пластин твердой электролитической меди, запрессованных во втулку из пластмассы. Щеткодержатели — «куркового типа».
Подшипниковые щиты и крышки — из алюминиевого сплава.
Щит со стороны привода имеет в нижней части отверстия для прохода вентилирующего воздуха. Щит имеет фланец для крепления.
Щит со стороны коллектора имеет окна, обеспечивающие доступ к коллектору и щеткодержателю; во время работы электродвигателя щит закрыт стальным кожухом с отверстиями в нижней части для прохода вентилирующего воздуха.
В двигателях применены подшипники качения.
Вентиляция электродвигателей осевая. Наружный воздух входит через отверстия в щите со стороны коллектора и выбрасывается через отверстия со стороны привода при помощи вентилятора, насаженного на вал. Вентилятор выполняется из алюминиевого сплава литьем под давлением.
Коробка выводов крепится в верхней части станины и состоит из пластмассовой доски зажимов и крышки из алюминиевого сплава.
Помехоподавляющее устройство, которым по требованию заказчика снабжаются коллекторные электродвигатели, представляет собой комплект конденсаторов необходимой емкости или же специальный конденсаторный блок, рассчитанный на подавление помех радиоприему в соответствии с требованиями действующих норм для промышленных или бытовых установок. Устройство устанавливается на верхней части станины и имеет скобу для крепления к электродвигателю.
Габаритные, установочные и присоединительные размеры двигателей представлены на рис. 2.

Габаритные, установочные и присоединительные размеры электродвигателей ПЛ-061 и ПЛ-062 — В комплект поставки входят: двигатель; помехоподавляющее устройство (в составе двигателя по требованию потребителя); запасные щетки — 2 шт.; паспорт; сертификат качества.

Достоинства и недостатки

Разберем плюсы и минусы коллекторного двигателя постоянного тока. Преимущества:

1. Соотношение размеров к мощности (массогабаритные показатели).
2. Простота регулировки оборотов и реализации плавного пуска.
3. Пусковой момент.

Недостатки у КДПТ следующие:

1. Износ щеток. Высоконагруженные двигатели, которые регулярно эксплуатируются, требуют регулярного осмотра, замены щеток и обслуживания коллекторного узла.
2. Коллектор изнашивается из-за трения щеток.
3. Возможно искрение щеток, что ограничивает применение в опасных местах (тогда используют КДПТ взрывозащищенного исполнения).
4. Из-за постоянного переключения обмоток этот тип двигателей постоянного тока вносит помехи и искажения в питающие цепи или электросеть, что приводит к сбоям и проблемам в работе других элементов схемы (особенно актуально для электронных схем).
5. У ДПТ на постоянных магнитах магнитные силы со временем ослабевают (размагничиваются) и эффективность двигателя снижается.

Вот мы и рассмотрели, что такое коллекторный двигатель постоянного тока, как он устроен и какой у него принцип действия. Если остались вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!