Pollife.ru

Стройка и ремонт
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Двигатели переменного тока (ЭПТ) относятся к категории силовых агрегатов, в основу работы которых заложен принцип преобразования электрической энергии в механическое вращение.

Функционирование таких электротехнических устройств основано на эффекте вращающегося магнитного поля, создаваемого в статоре за счет соответствующего распределения питающего напряжения. Для понимания принципа работы двигателей переменного тока потребуется ознакомиться с существующими разновидностями этих агрегатов.

Виды двигателей переменного тока.

В зависимости от конструктивных особенностей и характера связи электромагнитного (э/м) поля вращающегося ротора и ЭДС неподвижного статора различают синхронные и асинхронные двигатели. В первых эта связь жесткая, а в асинхронных частоты их вращения отличаются на величину так называемого «скольжения».

  • однофазные (включая конденсаторные);
  • трехфазные двигатели переменного тока;
  • шаговые (многофазные) агрегаты.

По способу организации возбуждения и характеру связи с ротором различают коллекторные и бесколлекторные электродвигатели.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

  • количество рабочих фаз – одна или три (за исключением шаговых моделей);
  • мощность электрическая и на валу;
  • схемы соединения обмоток («звезда» или «треугольник»);
  • класс защиты оборудования.

В однофазных машинах запуск осуществляется либо вручную, либо в них предусматривается специальная пусковая обмотка (фазосдвигающая цепочка с конденсатором).

В 3-х фазных агрегатах вращающееся э/м поле создается тремя независимыми катушками, размещенными на статоре под углом 120 градусов одна к другой. Соответствующие им ЭДС разнесены в электрическом пространстве на те же углы.

Виды мощности:

1. Электрической называют мощность, потребляемую от сети фазными обмотками двигателя в рабочем режиме.

2. Механическая мощность на валу – развиваемое ЭПТ вращательное усилие, измеряемое в Ваттах и характеризующее эффективность преобразования или КПД всего двигателя.

Схема включения обмоток выбирается с учетом особенностей конструкции агрегата и условий его работы. Чаще всего в бытовом электрооборудовании и инструменте применяется схема включения типа «звезда».

Класс защиты электродвигателей от проникновения внутрь механических частиц грязи, а также от попадания влаги устанавливается согласно стандарту EN 60034.

Для его обозначения используют две английские буквы IP со следующими за ними цифрами. Первая соответствует уровню защиты от попадания твердых частиц, а вторая – от проникновения во внутрь влаги.

КОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

  • ротор особой конструкции;
  • статор с основными и возбуждающими обмотками;
  • коллекторный узел с комплектом щеток.

Основа ротора (якоря) – магнитопровод из пластин электротехнической стали, между полюсами которого при изготовлении по определенной схеме укладываются витки медного провода.

Концы обмоток выводятся на коллекторный узел, являющийся коммутаторной частью системы (здесь осуществляется их переключение). С его помощью обмотка якоря соединяется со статорной в последовательную цепочку. При этом создаваемое в ней поле взаимодействуют с магнитным потоком статора, создавая необходимый вращающий момент.

Преимущества и недостатки.

К достоинствам коллекторных двигателей переменного тока относят плавность запуска и простоту схемы возбуждающей цепочки, включенной последовательно с основной обмоткой. Отмечается также возможность получения значительных по величине вращательных моментов. Эти изделия надежны в работе и хорошо «держат» предельные нагрузки на валу.

  • повышенный уровень шумности;
  • низкий по сравнению с бесколлекторными конструкциями кпд;
  • необходимость постоянного обслуживания коллекторного узла из-за износа и загрязнения его элементов (ламелей);
  • потребность в обновлении и регулировки щеток;
  • высокий уровень радиопомех.

К минусам коллекторных электродвигателей также относят недостаточную надежность рабочих узлов и малые сроки эксплуатации входящих в их состав элементов.

Области применения.

Область применения коллекторных двигателей определяется особенностью их конструкции.

При частоте сетевого напряжения 50 Гц скорость вращения вала у этих изделий достигает 9000-10000 об/мин. Именно поэтому двигатели с коллекторным узлом типа широко применяются в бытовой аппаратуре самого различного класса.

  • стиральные машины;
  • электромясорубки, кофемолки и миксеры;
  • электроинструмент (дрели, болгарки, перфораторы и т. п.).
Читайте так же:
Конечный выключатель мп 230

Сегодня традиционные коллекторные двигатели везде, где это возможно, заменяются современными бесщеточными агрегатами.

С расширением и удешевлением современной электронной базы их производство становится более выгодным. Одновременно совершенствуются схемы управления, работающие на полупроводниковых элементах различного класса.

УПРАВЛЕНИЕ ДВИГАТЕЛЯМИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

В основу управления режимами работы двигателей переменного тока заложен принцип зависимости частоты вращения вала от величины напряжения, прикладываемого к катушкам статора.

При фиксированной величине тока это означает изменение мощности, передаваемой в нагрузочную (роторную) цепь. Еще один параметр, которым нередко приходится управлять при эксплуатации двигателей рассматриваемого класса – направление вращения вала (реверс).

Для реализации двух этих возможностей применяются различные схемы, построенные на компонентах того или иного типа.

  • транзисторные ключи или реле;
  • тиристорные элементы;
  • электронные тиристоры (симисторы).

Транзисторы применяется сегодня крайне редко, поскольку на смену им пришли более эффективные тиристорные и симисторные управляющие элементы.

С их помощью удается непосредственно изменять величину мощности, отдаваемой в нагрузочную цепочку ротора. Для этих целей применяются современные методы широтно-импульсного или фазоимпульсного управления.

Управление двигателем переменного тока

Для получения нужной частоты вращения вала и мощности, отдаваемой непосредственно в нагрузку, используется особый электронный элемент – симистор. Степень его открытия задается подачей на управляющий электрод соответствующего напряжения или последовательности прямоугольных импульсов.

Во втором случае частота следования задает время открытия прямого перехода симистора, что в конечном счете определяет величину мощности, передаваемой в управляемую роторную цепочку.

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.

Замена двигателей постоянного тока на асинхронные двигатели переменного тока

Промышленные двигатели постоянного тока начали выпускаться в 1860—1870 гг., чему предшествовал 30-летний период их разработки после фундаментальных открытий М. Фарадея (закона электромагнитной индукции и превращения электрической энергии в механическую).

Двигатели постоянного тока широко применяются и в наше время благодаря использованию современных тиристорных преобразователей, которые позволяют осуществлять регулирование скорости данных двигателей путем изменения напряжения на якоре или в обмотках возбуждения. Для расширения диапазона регулирования скорости используются различные сигналы обратной связи (напряжение на якоре, тахогенераторы и т.д.). Однако эксплуатация двигателей постоянного тока влечет за собой ряд значительных неудобств, связанных с конструктивными особенностями машин данного типа, а именно:

1. Сложность конструкции и, как результат, высокая цена
2. Наличие щеточно-коллекторного узла
3. Большая масса
4. Необходимость в периодическом обслуживании

Промышленные двигатели постоянного тока начали выпускаться в 1860—1870 гг., чему предшествовал 30-летний период их разработки после фундаментальных открытий М. Фарадея (закона электромагнитной индукции и превращения электрической энергии в механическую).

Двигатели постоянного тока широко применяются и в наше время благодаря использованию современных тиристорных преобразователей, которые позволяют осуществлять регулирование скорости данных двигателей путем изменения напряжения на якоре или в обмотках возбуждения. Для расширения диапазона регулирования скорости используются различные сигналы обратной связи (напряжение на якоре, тахогенераторы и т.д.). Однако эксплуатация двигателей постоянного тока влечет за собой ряд значительных неудобств, связанных с конструктивными особенностями машин данного типа, а именно:

1. Сложность конструкции и, как результат, высокая цена
2. Наличие щеточно-коллекторного узла
3. Большая масса
4. Необходимость в периодическом обслуживании

Читайте так же:
Как подключить доп выключатель

Все эти недостатки требуют существенных затрат при покупке машин постоянного тока и их дальнейшей эксплуатации, а так же они могут значительно снизить надежность и точность систем в целом. Необходимо планировать дополнительные планово-предупредительные работы и останавливать производство для обслуживания щеточно-коллекторных узлов и проводить периодическую продувку машин от пыли.

До недавнего времени внедрение асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутыми роторами в системы, где требуется широкий диапазон регулирования скорости, не представлялось возможным, а для изменения скорости движения приводимых механизмов использовались переключаемые редукторы или вариаторы. Дальнейшим развитием таких систем стало появление асинхронных двигателей с переключением числа полюсов (двух и трех скоростные двигатели), что позволяло ступенчато изменять скорость вращения.

С развитием полупроводниковой электроники (разработка IGBT транзисторов), появилась возможность производства недорогих микропроцессорных преобразователей частоты, с помощью которых стало возможным полноценно управлять скоростью асинхронных двигателей в широком диапазоне регулирования (1:1000). Теперь частота вращения АД не зависит от частоты питающей сети, двигатели можно разгонять выше их номинальной скорости. Так же появилась возможность управления моментом асинхронных двигателей. Системы управления движением с использованием асинхронных двигателей и преобразователей частоты, получаются дешевле и проще подобных систем с двигателями постоянного тока. В качестве датчиков обратной связи широко используются цифровые устройства (энкодеры), которые менее подвержены влиянию электромагнитных помех, чем тахогенераторы, классически используемые с машинами постоянного тока.

Асинхронный двигатель – простая, недорогая, не требующая обслуживания машина. Именно эти аргументы привели к тому, что на многих предприятиях машины постоянного тока с тиристорными преобразователями стали заменять на асинхронные двигатели с системами управления, построенными на преобразователях частоты.

При подборе асинхронного двигателя взамен машины постоянного тока необходимо учитывать разность характеристик этих машин. Подбор двигателя осуществляется по следующим параметрам:

1. По номинальной скорости вращения

Диапазон изменения частоты вращения вала асинхронного двигателя должен быть равен или больше чем у двигателя постоянного тока.

2. По моменту (номинальному, пусковому, максимальному)

Номинальный момент асинхронного двигателя должен быть равен или быть больше исходного при условии длительной работы в заданном диапазоне частот вращения без перегрева. Максимальный и пусковой моменты должны быть равны или быть больше пускового момента определенного для данного механизма.

На рисунке 1 и 2 представлены механические характеристики асинхронного двигателя и двигателя постоянного тока соответственно. Как видно, на малых скоростях асинхронный двигатель имеет момент значительно меньше номинального в отличие от двигателя постоянного тока. Поэтому при замене двигателя постоянного тока необходимо однозначно определить диапазон скорости вращения вала и требуемый момент в этом диапазоне. Как правило, для удовлетворения механических характеристик приводного механизма, приходится ставить асинхронный двигатель большей мощности.

Рис.1 Механическая характеристика асинхронного двигателя

Рис.2 Механическая характеристика двигателя постоянного тока

3. По режиму работы

Нагрев электрической машины зависит от режима ее работы, т.е. от соотношения длительности периодов работы и пауз между ними, или периодов работы с полной или частичной нагрузкой, от частоты включения машины и характера протекания переходных процессов.

Подразделяют следующие режимы работы:

Продолжительный режим (S1) — режим при котором время работы машины при практически неизменных нагрузке и температуре окружающей среды достаточно для нагрева всех ее частей до практически установившейся температуры. Режим характеризуется неизменными потерями в течение всего времени работы машины.

Кратковременный режим (S2) — режим при котором периоды неизменной нагрузки чередуются с периодами отключения машины, причем за время работы температура частей машины не успевает достигнуть установившегося значения, а за время пауз машина охлаждается до холодного состояния.

Читайте так же:
Заглушка для электрических выключателей

Повторно-кратковременный режим (S3-S8) — отличается от кратковременного регламентированными продолжительностью включения под неизменную нагрузку и продолжительностью периодов отключения, причем время работы машины всегда меньше времени, необходимого для нагрева ее частей до установившейся температуры, а время пауз меньше необходимого для остывания машины до практически холодного состояния. Отличие между режимами S3-S8 заключается частотой пусков и продолжительностью включения машины.

4. По условиям эксплуатации

Согласно ГОСТ 17498-87 асинхронный двигатель должен иметь соответствующую степень защиты IPXX, где первый символ X означает степень защиты оболочкой, от проникновения инородных твердых тел, второй символ X означает степень защиты оболочкой от вредных воздействий проникающей воды. Например, IP54 — “Машина не полностью защищена от проникновения внутрь оболочки пыли (однако, пыль не может проникать в количестве, достаточном для нарушения работы изделия) и воды, разбрызгиваемой на оболочку в любом направлении”.

Что такое универсальный коллекторный электродвигатель? Устройство и принцип действия

Универсальный двигатель картинка

Универсальный коллекторный двигатель (УКД) – это электродвигатель, который способен работать как с постоянным, так и переменным током, за что и получил свое название.

СОДЕРЖАНИЕ:

Устройство универсального коллекторного двигателя

Конструкция такого мотора, практически идентична обычному коллекторному (щеточному) электромотору постоянного тока. Однако здесь, вместо постоянных магнитов используются электромагниты и присутствуют дополнительные решения для работы с переменным током. Основными частями конструкции все также остаются ротор и статор.

Статор — это часть, которая не двигается (статична).

Статор содержит в себе:

  • Корпус
  • Обмотки
  • Проводку
  • Щетки

Ротор — это вращающаяся с валом часть.

Ротор состоит из следующих основных деталей:

  • Вал
  • Коллекторный узел
  • Обмотки ротора
  • Сердечник из тонких пластин

Теперь давайте рассмотрим то, что делает этот мотор таким особенным – принцип действия.

Принцип работы с постоянным током

При подключении к источнику постоянного тока, двигатель работает как обычный коллекторный двигатель постоянного тока. Катушки статора подключаются к источнику питания и последовательно соединены через щетки к коллекторному узлу ротора, через которые ток поступает на его обмотки.

Щетки подключены к разным полукольцам коллектора, благодаря чему с каждой стороны проходит однонаправленный ток. Вследствие этого возникают магнитные поля и под их воздействием ротор начинает вращение. Вращающий момент всегда направлен в одну сторону и ротор продолжает вращаться.

В этом режиме электромотор имеет самый высокий КПД, Ближайшей альтернативой в работе с источником постоянного тока является бесколлекторный двигатель, однако из-за применения в нем постоянных магнитов его максимальный момент будет гораздо меньшим.

Принцип работы с переменным током

Схема универсального мотора

Для работы с переменным током используют принцип последовательного возбуждения обмоток. Такая схема позволяет подсоединять обмотки статора последовательно с обмотками ротора (как описывалось выше). И по ним всегда будет двигаться ток одной и той же фазы. Возникающие магнитные силы также будут вращать ротор в одном направлении.

Благодаря этому виду подключения смена полюсов магнитных полей на обмотках выполняется практически одновременно, а значит итоговый момент будет также иметь одно направление.

Главное преимущество такой схемы — это большой максимальный момент. С другой стороны, возникают большие обороты на холостом ходу, способные повредить мотор при включении без нагрузки.

Однако если подключить к переменному источнику питания стандартный коллекторный мотор, то он не будет работать, так как будут возникать переменные магнитные поля и вызывать сильные потери в магнитопроводе из-за вихревых токов Фуко.

Читайте так же:
Автоматический выключатель авм 4нв

Чтобы избежать этих потерь, статор изготавливают из набора специальных изолированных тонких пластин, а обмотку разделяют на секции. Таким способом удается эффективно бороться с перемагничиванием. Для уменьшения искрения и воздействия электродвижущей силы двигатель оснащается щётками, которые обладают высоким сопротивлением.

Чтобы поменять направление вращение надо перемкнуть (переплюсовать) обмотки либо ротора, либо статора. При работе с переменным источником, общий КПД будет гораздо ниже.

Особенности использования

Как мы выяснили выше, основными особенностями, которые делают этот мотор уникальным, в сравнении с асинхронными и синхронными видами: это его способность работать с постоянным и переменным током, а также возможность работать на чрезвычайно большой скорости оборотов (от 8000 и даже до 20000 об/мин.).

Обратной стороной медали будет его маломощность высокий уровень шума, радиопомех и искрения, что ограничивает его использование в некоторых сферах. Давайте рассмотрим все плюсы и минусы подробнее.

Достоинства и недостатки

Универсальный мотор, благодаря особенностям принципа действия имеет свои особенности и недостатки

Достоинства:

  1. Высокий пусковой момент. Устройство может быстро набрать большое количество оборотов как в холодном, так и горячем состоянии.
  2. Высокая удельная мощность. Универсальный мотор может работать с большей выходной мощностью чем аналоги, того же размера.
  3. Небольшая цена. Стоимость мотора чуть выше чем обычного коллекторного и меньше чем бесколлекторного.
  4. Простота конструкции. Несложное устройство обеспечивает простоту обслуживания и ремонта.
  5. Большой общий рабочий ресурс. Основные детали довольно долговечны (за исключением щеток).
  6. Портативность. Небольшие размеры электромотора позволяют использовать его в самых малых приборах (дрель) .
  7. Простота управления. Мотор может регулироваться простым изменением напряжения.

Недостатки:

  1. Шум и вибрация. В основном возникает из-за работы щеток на высоких оборотах.
  2. Низкая эффективность. КПД устройств лежит в диапазоне 55-80%, при работе с переменным током он меньше чем с постоянным.
  3. Неэффективен при работе с малым напряжением. Устройство практически бесполезно при работе с напряжением до 100В.
  4. Щетки быстро изнашиваются. Из-за постоянного контакта щеток с коллектором требуется их периодическая замена или ремонт.
  5. Доп. оборудование для некоторых задач. Эффективные конструкции имеют низкий момент и быстроходность, поэтому иногда необходим дополнительный редуктор.

Основное применение

Применение универсального двигателя

Универсальный тип электродвигателя как мы выяснили это простой, недорогой и высокоскоростной мотор. Возможность работы на высоких оборотах подключаясь к однофазной сети переменного тока, сделало их очень популярными в бытовой технике. В промышленности этот тип также часто используется, однако его эффективность подходит далеко не всем.

Выключатель двигателя переменного тока

Принцип работы и описание конструкции. Достоинства, недостатки и сферы применения

Хорошо известные многим асинхронные двигатели переменного тока не лишены недостатков, таких как невысокая перегрузочная способность, сложность и небольшой диапазон регулирования, невысокий пусковой момент. Все эти проблемы давно и достаточно успешно решаются применительно к общепромышленному асинхронному электроприводу.

Коллекторный однофазный двигательТем не менее, в некоторых электроприводах используются двигатели, получающие питание от сети переменного тока, но предоставляющие полный набор преимуществ, характерных для электрических машин постоянного тока. Речь идет о коллекторных однофазных электродвигателях переменного тока.

Дело в том, что любой электродвигатель постоянного тока теоретически может работать от сети переменного напряжения. Ведь направление его электромагнитного момента в любой момент времени зависит от текущего направления электрических токов в якорной обмотке и в обмотке возбуждения.

Если обе обмотки подключить в одну сеть переменного тока с частотой 50 герц, то ток в них будет менять свое направление одновременно. Поэтому крутящий момент не будет менять своего направления – двигатель будет набирать обороты, в том числе под нагрузкой.

Читайте так же:
Биметаллический выключатель своими руками

На практике же все бывает немного сложнее. При независимом или параллельном включении обмотки возбуждения неизбежно возникает сдвиг фаз между напряжением сети и током возбуждения. Тогда электромагнитный момент будет попеременно менять свое направление, и нормальная работа привода будет невозможна.

Поэтому, коллекторные двигатели, предназначенные для включения в сеть переменного тока, имеют обмотку возбуждения, включенную последовательно с якорной обмоткой. В этом случае ток обмоток общий, и его направление может измениться только в обеих обмотках.

Это обеспечивает электромагнитный момент постоянного направления. Обычно, обмотка возбуждения делится на две части, одна из которых включается до якоря, а другая – после (относительно фазного провода). Для устранения влияния реакции якоря часто включаются дополнительные, компенсационные обмотки.

Для включения в сеть переменного напряжения традиционный для двигателей постоянного тока цельный, сварной магнитопровод статора не подходит – слишком большой величины будут достигать токи Фуко и связанные с ними потери на перемагничивание. Поэтому, магнитопроводы коллекторных двигателей переменного тока выполняются шихтованными из отдельных пластин.

Механическая и электромеханическая характеристики коллекторных двигателей переменного тока схожи с характеристиками электродвигателями постоянного тока последовательного возбуждения. Но в целом характеристики получаются хуже: из-за сдвига фаз на переменном токе коллекторный электродвигатель потребляет больший ток. Увеличение происходит за счет возникновения реактивной составляющей, и оно же становится причиной снижения КПД.

Их коммутация осложнена из-за наличия коллекторно-щеточного аппарата. Поэтому, мощность однофазных коллекторных машин ограничена несколькими киловаттами. Большая мощность нецелесообразна из-за больших потерь и повышенного износа щеток и коллекторных пластин.

Непрерывная коммутация щеток на коллекторе двигателей переменного тока способна генерировать достаточно мощные электромагнитные радиопомехи. Это легко замечают люди, имеющие опыт одновременного бритья электробритвой на 220 вольт и прослушивания радиоприемника. Чтобы минимизировать эти помехи, параллельно якорю двигателя устанавливаются фильтры, содержащие конденсатор.

Нормативная наработка на отказ коллекторных двигателей переменного тока составляет несколько тысяч часов. Это, конечно, немного в сравнении с обычными «асинхронниками». Однако, у них есть и свои преимущества.

Так, скорость вращения можно регулировать в очень широких пределах, причем разными способами: понижением напряжения или введением дополнительных сопротивлений в цепь питания. А вот изменение частоты питающего напряжения на скорость коллекторного электромотора не влияет.

Предельные и номинальные частоты вращения коллекторных двигателей могут достигать десяти тысяч оборотов в минуту, что недостижимо для асинхронных. Кроме того, они имеют очень хороший пусковой момент, способны выдерживать серьезные перегрузки и даже воздействие режима короткого замыкания в течение нескольких секунд без ущерба для своей конструкции.

Коллекторные однофазные двигатели отличаются высокой удельной мощностью: они компактны и приемисты. Благодаря своей, не особенно сложной конструкции, эти машины приобрели довольно широкую популярность среди производителей бытовой техники и ручного электроинструмента.

Так, подавляющее большинство пылесосов, стиральных машин, кухонных комбайнов, углошлифовальных машин, дрелей оснащены именно коллекторными однофазными электродвигателями, способными включаться в сеть как переменного, так и постоянного тока.

Для подключения в сеть постоянного тока в них используется вся обмотка возбуждения, а для включения в переменную сеть – часть ее. Тогда необходимость в компенсационных обмотках отпадает, а двигатель может считаться универсальным.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector