DC двигател

DC моторът е изобретен преди други видове машини, които преобразуват електрическата енергия в механична енергия. Въпреки че двигателите с променлив ток са станали най-популярни напоследък, има приложения, при които няма алтернатива на двигателите с постоянен ток.

DC и AC двигател

История на изобретението

Електрически двигател Jacobi.

За да разберем принципа на работа на електродвигателите с постоянен ток (DC двигатели), се обръщаме към историята на неговото създаване. И така, първото експериментално доказателство, че електрическата енергия може да се преобразува в механична, беше демонстрирано от Майкъл Фарадей. През 1821 г. той провежда експеримент с проводник, спуснат в съд, пълен с живак, на дъното на който има постоянен магнит. След като приложи електричество към проводника, той започна да се върти около магнита, демонстрирайки реакцията си към магнитното поле, присъстващо в съда. Експериментът на Фарадей не намери практическо приложение, но доказа възможността за създаване на електрически машини и даде началото на развитието на електромеханиката.

Първият постояннотоков електродвигател, който се основава на принципа на въртене на движещата се част (ротор), е създаден от руския механичен физик Борис Семенович Якоби през 1834 г. Това устройство работеше по следния начин:

Описаният принцип е използван в двигател, който Якоби монтира в лодка с 12 пътници през 1839 г. Корабът се движеше рязко със скорост 3 км/ч срещу течението (според други източници - 4,5 км/ч), но успешно прекоси реката и стовари пътници на брега. Като източник на енергия е използвана батерия с 320 галванични клетки, а движението се извършва с гребни колела.

По-нататъшното проучване на проблема накара изследователите да разрешат множество въпроси относно това кои източници на енергия е най-добре да се използват, как да се подобри неговата производителност и да се оптимизират размерите му.

През 1886 г. Франк Джулиан Спраг за първи път проектира електрически двигател с постоянен ток, подобен по дизайн на тези, използвани днес. Той реализира принципа на самовъзбуждане и принципа на обратимостта на електрическата машина. До този момент всички двигатели от този тип са преминали към захранване от по-подходящ източник - генератор на постоянен ток.

Монтажът четка-колектор осигурява електрическата връзка на роторната верига с веригите, разположени в стационарната част на машината

Устройство и принцип на действие

В съвременните DPT се използва същият принцип на взаимодействие на зареден проводник с магнитно поле. С подобряването на технологиите устройството се допълва само с някои елементи, които подобряват производителността. Например, в днешно време постоянните магнити се използват само в двигатели с ниска мощност, тъй като в големите машини биха заели твърде много място.

Основният принцип

Първоначалните прототипи на двигатели от този тип бяха значително по-прости от съвременните устройства. Тяхното примитивно устройство включва само статор от два магнита и арматура с намотки, към които се прилага ток. След като проучиха принципа на взаимодействие на магнитните полета, дизайнерите определиха следния алгоритъм на работа на двигателя:

Захранването създава електромагнитно поле върху намотките на котвата.
Полюсите на електромагнитното поле се отблъскват от същите полюси на постоянното магнитно поле.
Котвата, заедно с вала, върху който е закрепена, се върти в съответствие с отблъскващото поле на намотката.

Този алгоритъм работеше перфектно на теория, но на практика създателите на първите двигатели се сблъскаха със специфични проблеми, които попречиха на работата на машината:

Мъртво положение, от което двигателят не може да се стартира - когато полюсите са точно ориентирани един срещу друг.
Невъзможност за стартиране поради силно съпротивление или слабо отблъскване на стълбовете.
Роторът спира след един оборот. Това се дължи на факта, че след преминаване на половината кръг, привличането на магнита не се ускори, а забави въртенето на ротора.

Решението на първия проблем беше намерено доста бързо - за това беше предложено да се използват повече от два магнита. По-късно в устройството на двигателя бяха включени няколко намотки и възел колектор-четка, които захранваха само една двойка намотки в определен момент от време.

Системата за подаване на ток на колектор-четка също решава проблема със спирането на ротора - превключването на полярността се извършва до момента, в който въртенето на ротора започне да се забавя. Това означава, че по време на един оборот на двигателя има поне две смени на полярността.

Проблемът с ниските пускови токове е разгледан по-долу в отделен раздел.

Дизайн

И така, постоянен магнит е фиксиран върху корпуса на двигателя, образувайки с него статор, вътре в който е разположен роторът. След подаване на мощност към намотката на котвата възниква електромагнитно поле, което взаимодейства с магнитното поле на статора, което води до въртене на ротора, който е твърдо монтиран на вала. За прехвърляне на електрически ток от източника към арматурата, двигателят е оборудван с колекторно-четков възел, състоящ се от:

Колекционер. Това е токоприемник от няколко секции, разделени от диелектричен материал, свързани към намотките на котвата и монтирани директно върху вала на двигателя.
Графитни четки. Те затварят веригата между колектора и източника на захранване с помощта на четки, които се притискат към контактните площадки на колектора с пружини за натиск.

Намотките на котвата са свързани в единия край една към друга, а в другия край към колекторните секции, като по този начин образуват верига, по която протича токът по следния маршрут: входна четка -> намотка на ротора -> изходна четка.

Дадената електрическа схема (фиг. 3) демонстрира принципа на работа на примитивен постояннотоков двигател с колектор от две секции:

В този пример ще разгледаме началната позиция на ротора, както е показано на диаграмата. И така, след подаване на захранване към долната четка, маркирана с „+“, токът протича през намотката и създава електромагнитно поле около нея.
Според правилото на gimlet северният полюс на котвата се формира в долната лява част, а южният полюс се формира в горната дясна част. Разположени близо до едноименните полюси на статора, те започват да се отблъскват, като по този начин привеждат ротора в движение, което продължава, докато противоположните полюси са на минимално разстояние един от друг, т.е. достигат крайната позиция (фиг. 1).
Дизайнът на колектора на този етап ще доведе до обръщане на полярността на намотките на котвата. В резултат на това полюсите на магнитните полета отново ще бъдат на близко разстояние и ще започнат да се отблъскват.
Роторът прави пълен оборот, а колекторът отново обръща полярността, продължавайки движението си.

Части за постояннотокови двигатели

Тук, както вече беше отбелязано, се демонстрира принципът на работа на примитивен прототип. Истинските двигатели използват повече от два магнита, а комутаторът се състои от повече контактни площадки, което осигурява плавно въртене.

При двигатели с голяма мощност използването на постоянни магнити е невъзможно поради големия им размер. Алтернатива за тях е система от няколко проводящи пръта, всеки от които има собствена намотка, свързана към захранващите шини. Полюсите със същото име са включени в мрежата последователно. На тялото могат да присъстват от 1 до 4 чифта полюси, като техният брой трябва да съответства на броя на токосъбиращите четки на колектора.

Електрическите двигатели, предназначени за висока мощност, имат редица функционални предимства пред своите "по-леки" събратя. Например, локалното разположение на токосъбиращите четки ги завърта под определен ъгъл спрямо вала, за да компенсира спирането на вала, наречено "реакция на котвата".

Пускови токове

Постепенното оборудване на ротора на двигателя с допълнителни елементи, които осигуряват неговата непрекъсната работа и изключват секторното спиране, възниква проблемът с неговото стартиране. Но всичко това увеличава теглото на ротора - като се вземе предвид съпротивлението на вала, става по-трудно да го избутате от мястото му. Първото решение на този проблем, което ви идва на ум, може да бъде увеличаване на подавания ток в началото, но това може да доведе до неприятни последици:

прекъсвачът на линията няма да издържи на тока и ще се изключи;
проводниците за намотаване ще изгорят от претоварване;
комутационните сектори на колектора ще бъдат заварени от прегряване.

Следователно подобно решение може да се нарече по-скоро рискована полумярка.

Като цяло този проблем е основният недостатък на постояннотоковите двигатели, но включва основното им предимство, поради което те са незаменими в някои области. Това предимство се крие в директното предаване на въртящия момент веднага след стартиране - валът (ако започне да се движи) ще се върти при всякакво натоварване. AC двигателите не са способни на това.

Досега този проблем не е напълно решен. Към днешна дата за стартиране на такива двигатели се използва автоматичен стартер, чийто принцип на работа е подобен на автомобилна скоростна кутия:

Първо, токът постепенно се повишава до началната стойност.
След „изместване“ от мястото текущата стойност рязко пада и отново плавно се повишава „регулиране на въртенето на вала“.
След покачване до граничната стойност, силата на тока отново намалява и се „настройва“.

Този цикъл се повтаря 3-5 пъти (фиг. 4) и решава необходимостта от стартиране на двигателя без възникване на критични натоварвания в мрежата. Всъщност все още няма "мек" старт, но оборудването работи безопасно и основното предимство на DC двигателя - въртящият момент - се запазва.

Електрически схеми

Свързването на DC двигател е малко по-трудно, отколкото при двигатели с AC спецификация.

Двигателите с висока и средна мощност, като правило, имат специална намотка на възбуждане (OB) и арматурни контакти, поставени в клемната кутия. Най-често изходното напрежение на източника се прилага към арматурата, а токът, като правило, регулиран от реостат, се прилага към OB. Скоростта на въртене на двигателя директно зависи от силата на тока, приложен към намотката на възбуждане.

Има три основни схеми за включване на котвата и възбуждащата намотка на двигателите с постоянен ток:

Серийното възбуждане се използва в двигатели, които изискват голям ток при стартиране (електрически превозни средства, оборудване под наем и др.). Тази схема осигурява последователно свързване на OF и арматурата към източника. След прилагане на напрежение токове със същата величина преминават през намотките на котвата и OB , Трябва да се има предвид, че намаляването на натоварването на вала дори с една четвърт с последователно възбуждане ще доведе до рязко увеличаване на скоростта, което може да доведе до повреда на двигателя, поради което тази верига се използва при условия на постоянно натоварване.
Паралелното възбуждане се използва в двигатели, които осигуряват работата на машинни инструменти, вентилатори и друго оборудване, което не упражнява голямо натоварване върху вала по време на стартиране. В тази схема се използва независима намотка за възбуждане на OF, която най-често се регулира от реостат.
Независимото възбуждане е много подобно на паралелното възбуждане, но в този случай се използва независим източник за захранване на OB, което елиминира появата на електрическа връзка между арматурата и намотката на възбуждане.

В съвременните електродвигатели с постоянен ток могат да се използват смесени вериги въз основа на трите описани.

Регулиране на скоростта на въртене

Начинът за регулиране на скоростта на DPT зависи от схемата на неговото свързване:

При двигатели с паралелно възбуждане намаляването на скоростта спрямо номиналната стойност може да се извърши чрез промяна на напрежението на котвата и увеличаване чрез отслабване на възбудителния поток. За да се увеличи скоростта (не повече от 4 пъти спрямо номиналната стойност), към веригата OB се добавя реостат.
При серийно възбуждане настройката се извършва лесно чрез променливо съпротивление в арматурната верига. Вярно е, че този метод е подходящ само за намаляване на скоростта и само в съотношения 1: 3 или 1: 2 (в допълнение, това води до големи загуби в реостата). Увеличаването се извършва с помощта на регулиращ реостат в OB веригата.

Тези схеми рядко се използват в модерно високотехнологично оборудване, тъй като имат тесен диапазон на регулиране и други недостатъци. В наши дни за тези цели все повече се създават електронни схеми за управление.

Заден ход

За да обърнете (обратно) въртенето на DC двигател, трябва:

със серийно възбуждане - просто променете полярността на входните контакти;
със смесено и паралелно възбуждане - необходимо е да се промени посоката на тока в намотката на котвата; разкъсването на OF може да доведе до критично увеличение на инжектираната електродвижеща сила и разрушаване на изолацията на проводника.

Обхват на приложение, обхват на прилагане

Както вече разбрахте, използването на двигатели с постоянен ток е препоръчително в условия, при които не е възможно постоянна непрекъсната връзка с мрежата. Добър пример тук е автомобилен стартер, който избутва двигател с вътрешно горене "от място", или детски играчки с мотор. В тези случаи за стартиране на двигателя се използват батерии. За промишлени цели DPT се използват във валцови мелници.

Основната област на приложение на DPT е електрическият транспорт. Параходите, електрическите локомотиви, трамваите, тролейбусите и други подобни имат много голямо стартово съпротивление, което може да се преодолее само с помощта на постояннотокови двигатели с техните меки характеристики и широки граници на регулиране на въртенето. Като се има предвид бързото развитие и популяризиране на екологичните транспортни технологии, обхватът на DPT само се увеличава.

Най-простият монтаж на четка-колектор

Предимства и недостатъци

Обобщавайки всичко по-горе, е възможно да се опишат предимствата и недостатъците, характерни за двигателите с постоянен ток спрямо техните колеги, предназначени да работят с променлив ток.

Основни предимства:

DCT са незаменими в ситуации, когато е необходим силен стартов въртящ момент;
скоростта на въртене на котвата е лесно регулируема;
DC моторът е универсална електрическа машина, тоест може да се използва като генератор.

Основни недостатъци:

DPT имат висока производствена цена;
използването на възел четка-колектор води до необходимостта от честа поддръжка и ремонт;
Изисква DC захранване или токоизправители за работа.

Електродвигателите с постоянен ток, разбира се, губят от своите "променливи" колеги по отношение на разходите и надеждността, но те се използват и ще бъдат използвани, тъй като предимствата на използването им в определени области категорично зачеркват всички недостатъци.