Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с щеточного двигателя )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Щетка электрический двигатель постоянного тока является внутренне коммутируемым электродвигателем предназначен для запуска от постоянного тока источника питания. Щеточные 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. Щеточные двигатели постоянного тока можно изменять по скорости, изменяя рабочее напряжение или силу магнитного поля. В зависимости от подключения поля к источнику питания, характеристики скорости и крутящего момента щеточного двигателя могут быть изменены для обеспечения постоянной скорости или скорости, обратно пропорциональной механической нагрузке. Щеточные двигатели продолжают использоваться для электрических движителей, кранов,бумагоделательные машины и сталепрокатные заводы. Поскольку щетки изнашиваются и требуют замены, бесщеточные двигатели постоянного тока, использующие силовые электронные устройства , вытеснили щеточные двигатели из многих приложений.

Простой двухполюсный двигатель постоянного тока [ править ]

На следующем рисунке показан простой двухполюсный щеточный двигатель постоянного тока.

Вращение двигателя постоянного тока
Якорь продолжает вращаться.
Когда якорь выравнивается по горизонтали, крутящий момент становится нулевым. В этот момент коммутатор меняет направление тока через катушку на противоположное, изменяя направление магнитного поля.
Затем процесс повторяется.
Электродвигатели разных размеров

Когда ток проходит через катушку, намотанную вокруг сердечника из мягкого железа, расположенного во внешнем магнитном поле, на сторону положительного полюса действует сила, направленная вверх, а на другую сторону - сила, направленная вниз. Согласно правилу левой руки Флеминга , силы вызывают вращательное действие на катушку, заставляя ее вращаться. Чтобы двигатель вращался в постоянном направлении, коммутаторы «постоянного тока» меняют направление тока каждые полцикла (в двухполюсном двигателе), заставляя двигатель продолжать вращаться в том же направлении.

Проблема с двигателем, показанным выше, заключается в том, что, когда плоскость катушки параллельна магнитному полю, то есть когда полюса ротора находятся под углом 90 градусов от полюсов статора, крутящий момент равен нулю. На рисунках выше это происходит, когда сердечник катушки расположен горизонтально - положение, которое он вот-вот достигнет на предпоследнем изображении справа. В этом положении двигатель не запустится. Однако, как только он был запущен, он продолжал вращаться через это положение по инерции.

У этой простой конструкции столбов есть вторая проблема. В положении с нулевым крутящим моментом обе щетки коллектора касаются (перекрывают) обе пластины коллектора, что приводит к короткому замыканию. Провода питания закорочены вместе через пластины коммутатора, а катушка также закорочена через обе щетки.(катушка закорачивается дважды, по одному на каждую щетку независимо). Обратите внимание, что эта проблема не зависит от проблемы, не связанной с запуском выше; даже если бы в катушке в этом положении был большой ток, крутящий момент все равно был бы нулевым. Проблема здесь в том, что это короткое замыкание бесполезно потребляет энергию, не производя никакого движения (или даже тока в катушке). В демонстрации с питанием от слаботочной батареи это короткое замыкание обычно не считается вредным. Однако, если двухполюсный двигатель был спроектирован для реальной работы с выходной мощностью в несколько сотен ватт, это короткое замыкание могло привести к серьезному перегреву коммутатора, повреждению щеток и возможному привариванию щеток - если они были металлическими - к коммутатору. Угольные щетки, которые часто используются, не сваривают. В любом случае такое короткое замыкание очень расточительно, быстро разряжает батареи и,как минимум, требует, чтобы компоненты источника питания были спроектированы в соответствии с гораздо более высокими стандартами, чем это потребовалось бы для работы двигателя без короткого замыкания.

Внутри миниатюрный двигатель постоянного тока, как в игрушке.

Одно из простых решений - сделать зазор между пластинами коллектора, который шире концов щеток. Это увеличивает диапазон угловых положений с нулевым крутящим моментом, но устраняет проблему короткого замыкания; если двигатель запущен внешней силой, он продолжит вращаться. С этой модификацией его также можно эффективно отключить, просто остановив (остановив) его в положении в диапазоне углов нулевого крутящего момента (т. Е. Бесконтактного переключателя). Такая конструкция иногда встречается в самодельных двигателях для хобби, например, на научных выставках, и такие конструкции можно найти в некоторых опубликованных книгах по научным проектам. Явным недостатком этого простого решения является то, что теперь двигатель совершает выбег по значительной дуге вращения дважды за оборот, а крутящий момент является импульсным.Это может сработать для электрических вентиляторов или для поддержания вращения маховика, но есть много применений, даже когда запуск и остановка не требуются, для которых это совершенно неадекватно, например, при управлении шпилем ленточного транспортера или в любом другом случае, когда нужно ускориться. часто и быстро - это требование. Другой недостаток заключается в том, что, поскольку катушки имеют некоторую степень самозащиты.индуктивности , ток, протекающий в них, не может внезапно прекратиться. Ток пытается перепрыгнуть через открывающийся зазор между сегментом коммутатора и щеткой, вызывая искрение.

Даже для вентиляторов и маховиков очевидные 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 проектируются с более чем двумя полюсами, могут запускаться из любого положения и не имеют положения, в котором ток может течь без выработки электродвижущей силы, проходя через некоторую катушку. Многие обычные небольшие щеточные электродвигатели постоянного тока, используемые в игрушках и небольших бытовых приборах, самые простые серийные электродвигатели постоянного тока, которые можно найти, имеют трехполюсный якорь. Щетки теперь могут соединять два соседних сегмента коммутатора, не вызывая короткого замыкания.Эти трехполюсные якоря также имеют то преимущество, что ток от щеток протекает либо через две последовательно соединенные катушки, либо только через одну катушку. Начиная с тока в отдельной катушке, равного половине его номинального значения (в результате протекания через две последовательно соединенные катушки), он повышается до своего номинального значения, а затем падает до половины этого значения. Затем последовательность продолжается с током в обратном направлении. Это приводит к более близкому пошаговому 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, искрение на щетках, следовательно, меньше.Начиная с тока в отдельной катушке, равного половине его номинального значения (в результате протекания через две последовательно соединенные катушки), он повышается до своего номинального значения, а затем падает до половины этого значения. Затем последовательность продолжается с током в обратном направлении. Это приводит к более близкому пошаговому 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, искрение на щетках, следовательно, меньше.Начиная с тока в отдельной катушке, равного половине его номинального значения (в результате протекания через две последовательно соединенные катушки), он повышается до своего номинального значения, а затем падает до половины этого значения. Затем последовательность продолжается с током в обратном направлении. Это приводит к более близкому пошаговому 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, искрение на щетках, следовательно, меньше.создавая более равномерный крутящий момент, чем двухполюсный двигатель, где ток в каждой катушке ближе к прямоугольной. Поскольку изменения тока вдвое меньше, чем у сопоставимого двухполюсного двигателя, искрение на щетках, следовательно, меньше.создавая более равномерный крутящий момент, чем двухполюсный двигатель, где ток в каждой катушке ближе к прямоугольной. Поскольку изменения тока вдвое меньше, чем у сопоставимого двухполюсного двигателя, искрение на щетках, следовательно, 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 обратная ЭДС, потому что она противодействует приложенному напряжению на двигателе. Обратная ЭДС является причиной того, что электродвигатель в режиме холостого хода не имеет такого же низкого электрического сопротивления, как провод, заключенный в его обмотку. Это та же самая ЭДС, которая возникает, когда двигатель используется в качестве генератора (например, когда электрическая нагрузка, такая как электрическая лампочка, помещается на клеммы двигателя, и вал двигателя приводится в движение внешним крутящим моментом). Следовательно, полное падение напряжения на двигателе состоит из падения напряжения CEMF и паразитного падения напряжения, возникающего из-за внутреннего сопротивления обмоток якоря. Ток, протекающий через двигатель, определяется следующим уравнением:

Механическая мощность, производимая двигателем, определяется по формуле:

Когда ненагруженный двигатель постоянного тока вращается, он генерирует движущуюся в обратном направлении электродвижущую силу, которая сопротивляется току, приложенному к двигателю. Ток через двигатель падает с увеличением скорости вращения, и у двигателя свободного вращения очень небольшой ток. Только когда к двигателю приложена нагрузка, замедляющая ротор, ток, протекающий через двигатель, увеличивается.

Коммутирующий самолет [ править ]

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

Компенсация искажения поля статора [ править ]

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

Преувеличенный пример того, как поле искажается ротором.
Железные опилки показывают искаженное поле поперек ротора.

Чем быстрее вращается ротор, тем больше степень искажения поля. Поскольку динамо-машина наиболее эффективно работает с полем ротора, расположенным под прямым углом к ​​полю статора, необходимо либо замедлить, либо продвинуть положение щетки, чтобы установить поле ротора в правильное положение, чтобы оно находилось под прямым углом к ​​искаженному полю.

Центрированное положение коммутирующей плоскости при отсутствии эффектов искажения поля.
Фактическое положение коммутирующей плоскости для компенсации искажения поля.

Эти эффекты поля меняются местами, когда направление вращения меняется на противоположное. Поэтому сложно построить эффективную реверсивную коммутируемую динамо-машину, поскольку для максимальной напряженности поля необходимо переместить щетки на противоположную сторону от нормальной нейтральной плоскости.

Эффект можно рассматривать как нечто похожее на опережение времени в двигателе внутреннего сгорания. Обычно динамо-машина, которая была разработана для работы с определенной фиксированной скоростью, будет иметь свои щетки, постоянно закрепленные для выравнивания поля для максимальной эффективности на этой скорости. [1]

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

Варианты конструкции двигателя [ править ]

Двигатели постоянного тока [ править ]

Щеточные двигатели постоянного тока состоят из роторов с обмоткой и статоров с обмоткой или постоянными магнитами.

Раны статоров [ править ]

  • A, шунт
  • B, Серия
  • C, соединение
  • f, катушка возбуждения

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

В двигателе с последовательной обмоткой катушки возбуждения электрически соединены последовательно с катушками якоря (через щетки). В двигателе с шунтирующей обмоткой катушки возбуждения подключены параллельно или «шунтируются» к катушкам якоря. В двигателе с раздельным возбуждением (sepex) катушки возбуждения питаются от независимого источника, такого как двигатель-генератор, и на ток возбуждения не влияют изменения тока якоря. Система sepex иногда использовалась в тяговых двигателях постоянного тока для облегчения контроля проскальзывания колес .

Двигатели с постоянными магнитами [ править ]

Типы с постоянными магнитами имеют некоторые преимущества в производительности по сравнению с постоянным током, возбуждением, синхронными типами и стали преобладающими в приложениях с дробной мощностью. Они меньше, легче, эффективнее и надежнее, чем другие электрические машины с одиночным питанием . [2]

Первоначально во всех крупных промышленных двигателях постоянного тока использовались магниты с обмоткой или ротором. Постоянные магниты традиционно использовались только в небольших двигателях, потому что было трудно найти материал, способный удерживать поле высокой напряженности. Только недавно достижения в технологии материалов позволили создать высокоинтенсивные постоянные магниты, такие как неодимовые магниты , что позволило разрабатывать компактные высокомощные 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 полевые двигатели [ править ]

Основная статья: Двигатель с осевым потоком

Традиционно поле прикладывалось радиально - внутрь и от оси вращения двигателя. Однако в некоторых конструкциях поле течет вдоль оси двигателя, а ротор пересекает силовые линии при вращении. Это позволяет создавать гораздо более сильные магнитные поля, особенно если используются матрицы Хальбаха . Это, в свою очередь, дает мощность двигателю на более низких скоростях. Тем не менее, сфокусированная плотность потока не может увеличиваться относительно ограниченной остаточной плотности потока постоянного магнита, несмотря на высокую коэрцитивную силу, и, как и все электрические машины, плотность потока насыщения магнитного сердечника является конструктивным ограничением.

Контроль скорости [ править ]

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. Регулировка скорости может быть достигнута с помощью регулируемых выводов аккумуляторной батареи, переменного напряжения питания, резисторов или электронного управления. Пример моделирования можно найти здесь [3] и. [4] Направление двигателя постоянного тока с возбуждением возбуждения можно изменить, поменяв местами подключения возбуждения или якоря, но не то и другое вместе. Обычно это делается с помощью специального набора контакторов (контакторов направления). Эффективное напряжение можно изменять, вставляя последовательный резистор или используя переключающее устройство с электронным управлением, выполненное изтиристоры , транзисторы или, ранее, ртутные дуговые выпрямители . [5]

Последовательно-параллельный [ править ]

Последовательно-параллельное управление было стандартным методом управления тяговыми двигателями железнодорожного транспорта до появления силовой электроники . Электровоз или поезд, как правило , имеют четыре двигателя , которые могут быть сгруппированы в три различных способа:

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

Это обеспечило три скорости движения с минимальными потерями сопротивления. Для трогания с места и разгона дополнительный контроль обеспечивали сопротивления. Эта система была заменена электронными системами управления.

Ослабление поля [ править ]

Скорость двигателя постоянного тока можно увеличить за счет ослабления поля. Уменьшение напряженности поля осуществляется путем включения сопротивления последовательно с шунтирующим полем или добавления сопротивлений вокруг последовательно соединенной обмотки возбуждения для уменьшения тока в обмотке возбуждения. При ослаблении поля обратная ЭДС уменьшается, поэтому через обмотку якоря протекает больший ток, и это увеличивает скорость. Ослабление поля используется не само по себе, а в сочетании с другими методами, такими как последовательно-параллельное управление.

Чоппер [ править ]

В цепи, известной как прерывательсреднее напряжение, приложенное к двигателю, изменяется путем очень быстрого переключения напряжения питания. Поскольку соотношение «включено» и «выключено» изменяется для изменения среднего приложенного напряжения, скорость двигателя изменяется. Процент времени включения, умноженный на напряжение питания, дает среднее напряжение, приложенное к двигателю. Следовательно, при питании 100 В и времени включения 25% среднее напряжение на двигателе будет 25 В. Во время выключения индуктивность якоря заставляет ток продолжать проходить через диод, называемый обратным диодом. ", параллельно с двигателем. В этой точке цикла ток питания будет равен нулю, и поэтому средний ток двигателя всегда будет выше, чем ток питания, если процент времени включения не равен 100%. При 100% включенном времени,ток питания и ток двигателя равны. Быстрое переключение требует меньше энергии, чем последовательные резисторы. Этот метод еще называютширотно-импульсная модуляция (PWM) и часто управляется микропроцессором. Иногда устанавливают выходной фильтр для сглаживания среднего напряжения, подаваемого на двигатель, и уменьшения шума двигателя.

Поскольку двигатель постоянного тока с последовательным заводом развивает максимальный крутящий момент на низкой скорости, он часто используется в тяговых устройствах, таких как электровозы и трамваи.. Другое применение - стартеры для бензиновых и малых дизельных двигателей. Серийные двигатели никогда не должны использоваться в приложениях, где привод может выйти из строя (например, ременные передачи). По мере ускорения двигателя ток якоря (и, следовательно, возбуждения) уменьшается. Уменьшение поля заставляет двигатель ускоряться, а в крайних случаях двигатель может даже разрушить себя, хотя это гораздо меньшая проблема для двигателей с вентиляторным охлаждением (с вентиляторами с автоматическим приводом). Это может быть проблемой с железнодорожными двигателями в случае потери сцепления, поскольку, если быстро не взять под контроль двигатели, они могут развивать скорость намного выше, чем при нормальных обстоятельствах. Это может вызвать проблемы не только для самих двигателей и шестерен,но из-за разницы скоростей между рельсами и колесами это также может вызвать серьезные повреждения рельсов и ступеней колес, поскольку они быстро нагреваются и охлаждаются. Ослабление поля используется в некоторых электронных элементах управления для увеличения максимальной скорости электромобиля. В простейшей форме используется контактор и резистор для ослабления поля; электронное управление контролирует ток двигателя и подключает резистор ослабления поля в цепь, когда ток двигателя падает ниже заданного значения (это происходит, когда двигатель работает на полной расчетной скорости). Как только резистор включен в цепь, двигатель увеличит скорость выше нормальной скорости при номинальном напряжении. Когда ток двигателя увеличивается, система управления отключает резистор и становится доступным момент на низкой скорости.Ослабление поля используется в некоторых электронных элементах управления для увеличения максимальной скорости электромобиля. В простейшей форме используется контактор и резистор для ослабления поля; электронное управление контролирует ток двигателя и подключает резистор ослабления поля в цепь, когда ток двигателя падает ниже заданного значения (это происходит, когда двигатель работает на полной расчетной скорости). Как только резистор включен в цепь, двигатель увеличит скорость выше нормальной скорости при номинальном напряжении. Когда ток двигателя увеличивается, система управления отключает резистор и становится доступным момент на низкой скорости.Ослабление поля используется в некоторых электронных элементах управления для увеличения максимальной скорости электромобиля. В простейшей форме используется контактор и резистор для ослабления поля; электронное управление контролирует ток двигателя и подключает резистор ослабления поля в цепь, когда ток двигателя падает ниже заданного значения (это происходит, когда двигатель работает на полной расчетной скорости). Как только резистор включен в цепь, двигатель увеличит скорость выше нормальной скорости при номинальном напряжении. Когда ток двигателя увеличивается, система управления отключает резистор и становится доступным момент на низкой скорости.электронное управление контролирует ток двигателя и подключает резистор ослабления поля в цепь, когда ток двигателя падает ниже заданного значения (это происходит, когда двигатель работает на полной расчетной скорости). Как только резистор включен в цепь, двигатель увеличит скорость выше нормальной скорости при номинальном напряжении. Когда ток двигателя увеличивается, система управления отключает резистор и становится доступным момент на низкой скорости.электронное управление контролирует ток двигателя и подключает резистор ослабления поля в цепь, когда ток двигателя падает ниже заданного значения (это происходит, когда двигатель работает на полной расчетной скорости). Как только резистор включен в цепь, двигатель увеличит скорость выше нормальной скорости при номинальном напряжении. Когда ток двигателя увеличивается, система управления отключает резистор и становится доступным момент на низкой скорости.

Уорд Леонард [ править ]

Управления Уордом Леонарда обычно используются для управления шунтом или соединения раны двигателя постоянного тока, и разработаны в качестве способа обеспечения двигателя с регулируемой скоростью от сети переменного тока, хотя это не без его 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 из якоря напрямую связан с якорем двигателя постоянного тока (иногда, но не всегда идентичной конструкции). Шунтирующие обмотки возбуждения обеих машин постоянного тока независимо возбуждаются 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 контроля был де-фактометод от его разработки до его замены твердотельным тиристоромсистемы. Она нашла применение практически в любой среде, где требовалось хорошее управление скоростью, от пассажирских лифтов до крупногабаритных намоточных устройств шахты и даже промышленного технологического оборудования 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 случаях установка мотор-генератор часто оставалась постоянно работающей, 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 Уорда-Леонарда, некоторые очень большие (тысячи лошадиных сил) остаются в эксплуатации. Токи возбуждения намного меньше, чем токи якоря,позволяя 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 15000 ампер, что было бы слишком дорого (и неэффективно) для прямого управления с помощью тиристоров.

Крутящий момент и скорость двигателя постоянного тока [ править ]

А двигатель постоянного тока «сек скорость и крутящий момент характеристики варьируются в зависимости от трех различных источников намагничивания, независимым возбуждением поля, самовозбуждением поля или постоянного поля, которые используются выборочно для управления двигателем по диапазону механической нагрузки в. Самовозбуждающиеся полевые двигатели могут быть последовательными, шунтирующими или составными, соединенными с якорем.

Основные свойства [ править ]

Определять

  • E b , индуцированная или противодействующая ЭДС ( В )
  • I a , ток якоря ( А )
  • k b , постоянная уравнения противо-ЭДС
  • k n , константа уравнения скорости
  • k T , постоянная уравнения крутящего момента
  • n , частота якоря ( об / мин )
  • R m , сопротивление двигателя ( Ом )
  • T , крутящий момент двигателя ( Нм )
  • В м , входное напряжение двигателя (В)
  • Φ , общий поток машины ( Вт )
  • Коэффициент Картера ( к С ) представляет собой параметр , который часто используется в качестве способа оценки эффективного шага интервала в арматуре о наличии двигателя с открытыми (или полузакрытыми) слотами. [6]

Уравнение противодействия ЭДС [ править ]

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

E b = k b Φ n [7]

Уравнение баланса напряжения [ править ]

Входное напряжение двигателя постоянного тока должно преодолевать противоэдс, а также падение напряжения, создаваемое током якоря на сопротивлении двигателя, то есть совокупное сопротивление щеток, обмотки якоря и последовательной обмотки возбуждения, если таковая имеется:

V m = E b + R m I a [8] [9]

Уравнение крутящего момента [ править ]

Крутящий момент двигателя постоянного тока пропорционален произведению тока якоря и общей магнитной индукции машины: [10] [11] [12]

куда

k T =к б/2π

Уравнение скорости [ править ]

С

п = E b/к б Φ и
V m = E b + R m I a

имеем [13] [14] [15]

куда

k n =1/к б

Крутящие и скоростные характеристики [ править ]

Двигатель с шунтовой обмоткой [ править ]

Когда обмотка возбуждения двигателя с параллельным возбуждением подключена параллельно якорю, V m , R m и Ø постоянны, так что регулирование скорости от холостого хода до полной нагрузки редко превышает 5%. [16] Регулировка скорости осуществляется тремя способами: [17]

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

Двигатель с серийной обмоткой [ править ]

Основная статья: Универсальный мотор

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 остановился, ток ограничивается только общим сопротивлением обмоток, а крутящий момент может быть очень высоким, но существует опасность перегрева обмоток. Двигатели с последовательной обмоткой широко использовались в качестве тяговых двигателей на железнодорожном транспорте [18] любого типа, но постепенно отказываются от производства в пользу мощных асинхронных двигателей переменного тока с инверторным питанием.. Противодействующая ЭДС помогает сопротивлению якоря ограничивать ток через якорь. Когда питание подается на двигатель впервые, якорь не вращается, противо-ЭДС равна нулю, и единственным фактором, ограничивающим ток якоря, является сопротивление якоря. [19] 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 создаст противодействующую ЭДС. По мере увеличения скорости вращения двигателя сопротивление постепенно снижается.

Наиболее примечательной характеристикой двигателя постоянного тока с последовательной обмоткой является то, что он почти полностью зависит от крутящего момента, необходимого для привода нагрузки. Это подходит для больших инерционных нагрузок, поскольку двигатель разгоняется от максимального крутящего момента, крутящий момент постепенно уменьшается с увеличением нагрузки.

Поскольку скорость серийного двигателя может быть опасно высокой, серийные двигатели часто имеют редуктор или напрямую подключаются к нагрузке. [20]

Двигатель с постоянными магнитами [ править ]

Двигатель постоянного тока с постоянными магнитами характеризуется линейной зависимостью между крутящим моментом при остановке, когда крутящий момент максимален при неподвижном валу, и скоростью холостого хода без приложенного крутящего момента на валу и максимальной выходной скоростью. Между этими двумя точками оси скорости существует квадратичная зависимость мощности. [21]

Защита [ править ]

Чтобы продлить срок службы двигателя постоянного тока, используются защитные устройства [22] и контроллеры двигателей, которые защищают его от механических повреждений, чрезмерной влажности, высокого диэлектрического напряжения и высоких температур или тепловой перегрузки. [23] Эти защитные устройства обнаруживают неисправность двигателя [24] и либо выдают сигнал тревоги, чтобы уведомить оператора, либо автоматически отключают двигатель при возникновении неисправности. В условиях перегрузки двигатели защищены 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 полосыбудет изгибаться в противоположных направлениях при достижении заданного значения температуры, чтобы размыкать цепь управления и обесточивать двигатель. Нагреватели представляют собой внешние устройства защиты от тепловой перегрузки, последовательно подключенные к обмоткам двигателя и установленные в контакторе двигателя . Нагреватели ванны с припоем плавятся в условиях перегрузки, в результате чего цепь управления двигателем обесточивает двигатель. Биметаллические обогреватели работают так же, как встроенные биметаллические протекторы. Предохранители и автоматические выключатели предназначены для защиты от перегрузки по току или короткого замыкания . Реле замыкания на землю также обеспечивают защиту от перегрузки по току. Они контролируют электрический ток между обмотками двигателя и заземлением.. В мотор-генераторах реле обратного тока предотвращают разрядку батареи и приводят в действие генератор. Поскольку потеря поля двигателя постоянного тока может вызвать опасный разгон или превышение скорости, реле потери поля [25] подключены параллельно с полем двигателя для измерения тока возбуждения. Когда ток возбуждения падает ниже заданного значения, реле отключает питание якоря двигателя. Состояние блокировки ротора предотвращает ускорение двигателя после запуска его последовательности запуска. Дистанционные реле защищают двигатели от неисправностей с блокировкой ротора. Защита двигателя от пониженного напряжения обычно встроена в контроллеры двигателя или пускатели. Кроме того, двигатели могут быть защищены от перенапряжений или скачков напряжения с помощью изолирующих трансформаторов., оборудование для регулирования мощности , MOV , разрядники и фильтры 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 этих условий окружающей среды, Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) и Международная электротехническая комиссия (IEC) разработали стандартизованные конструкции корпуса двигателя [26], основанные на защите окружающей среды от загрязнений. На этапе проектирования также можно использовать современное программное обеспечение, такое как Motor-CAD , для повышения теплового КПД двигателя.

Пускатели двигателей постоянного тока [ править ]

Противо-ЭДС помогает сопротивлению якоря ограничивать ток через якорь. При первом подаче питания на двигатель якорь не вращается. В этот момент противоэдс равна нулю, и единственным фактором, ограничивающим ток якоря, являются сопротивление и индуктивность якоря. Обычно сопротивление якоря двигателя менее 1 Ом; следовательно, ток через якорь при подаче питания будет очень большим. Этот ток может вызвать чрезмерное падение напряжения, влияющее на другое оборудование в цепи, и даже отключить устройства защиты от перегрузки.

Следовательно, возникает необходимость в дополнительном сопротивлении, включенном последовательно с якорем, для ограничения тока до тех пор, пока вращение двигателя не создаст противоэдс. По мере увеличения скорости вращения двигателя сопротивление постепенно снижается.

Реостат с ручным запуском [ править ]

Реостат для ручного пуска двигателя постоянного тока 1917 с функциями расцепления обесточивания и перегрузки .

Когда были впервые разработаны электрические двигатели и двигатели постоянного тока, большая часть оборудования постоянно обслуживалась оператором, обученным управлению системами двигателей. Самые первые системы управления двигателями были почти полностью ручными, с сопутствующим запуском и остановкой двигателей, очисткой оборудования, устранением любых механических неисправностей 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 продвигать реостат по контактам, чтобы постепенно увеличивать входную мощность до рабочей скорости. Было два разных класса этих реостатов: один использовался только для запуска, а другой - для запуска и регулирования скорости. Пусковой реостат был менее дорогим, но имел меньшие элементы сопротивления, которые сгорали бы, если бы двигатель работал на постоянной пониженной скорости.

Этот пускатель включает в себя функцию магнитного удержания при отсутствии напряжения, которая заставляет реостат пружинить в положение выключения при потере питания, так что позже двигатель 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 сверх установленной величины. [27]

Трехточечный стартер [ править ]

Входящая мощность обозначается как L1 и L2. [ где? ] Компоненты, обозначенные пунктирными линиями, образуют трехточечный пускатель. Как следует из названия, есть только три соединения с пускателем. Подключения к якорю обозначены как A1 и A2. Концы катушки возбуждения (возбуждения) обозначены как F1 и F2. Для управления скоростью полевой реостат включен последовательно с шунтирующим полем. Одна сторона линии соединена с рычагом стартера (на схеме обозначена стрелкой). Рычаг подпружинен, поэтому он вернется в положение «Выкл.», Если не удерживается ни в каком другом положении.

  • На первом этапе плеча на шунтирующее поле подается полное линейное напряжение. Поскольку полевой реостат обычно устанавливается на минимальное сопротивление, скорость двигателя не будет чрезмерной; кроме того, двигатель будет развивать большой пусковой момент.
  • Стартер также соединяет электромагнит последовательно с шунтирующим полем. Он будет удерживать рычаг в положении, когда рычаг соприкасается с магнитом.
  • Между тем это напряжение прикладывается к шунтирующему полю, а пусковое сопротивление ограничивает ток якоря.
  • По мере набора скорости двигателя нарастает противо-ЭДС; рука медленно перемещается к короткой.

Четырехточечный стартер [ править ]

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

  • Возможность случайного размыкания цепи возбуждения весьма мала. Четырехточечный пускатель обеспечивает защиту двигателя от обесточивания. В случае пропадания питания двигатель отключается от сети.

Оценка параметров и статистики [ править ]

  • В нескольких исследованиях предлагаются либо неинтеллектуальные оценки, которые зависят от модели, такие как расширенный фильтр Калмана (EKF) [28] [29] и наблюдатель Люенбергера, [30], либо интеллектуальные оценки, такие как каскадно-прямая нейронная сеть (CFNN) и квазиньютоновское обратное распространение BFGS [31]  .  

См. Также [ править ]

  • Переменный ток
  • Бесщеточный электродвигатель постоянного тока
  • Уравнения двигателя постоянного тока под нагрузкой

Ссылки [ править ]

  1. ^ Руководство по электричеству Хокинса
  2. Перейти ↑ Gottlieb, IM (1994). Электродвигатели и методы управления (2-е изд.). Вкладка Книги.
  3. ^ Управление скоростью двигателя постоянного тока Код моделирования MATLAB.
  4. ^ Проектирование и моделирование систем управления для платформы мобильных роботов полевых исследований.
  5. Перейти ↑ Lander, Cyril W. (1993). «8 DC Machine Control ». Силовая электроника (3-е изд.). Лондон: Mc Graw Hill International UK. ISBN 0-07-707714-8.
  6. ^ Невилл, С .: «Использование коэффициента Картера с узкими зубьями», Труды Института инженеров-электриков , 1967, 114, (9), стр. 1245–1250
  7. ^ Хамейер, стр. 66, ур. 5-3437
  8. ^ Линн, §8-144, стр. 826, ур. 8-17
  9. ^ Хамейер, стр. 66, ур. 5-20
  10. ^ Линн, §8-146, стр. 826, ур. 8–18
  11. ^ Хамейер, стр. 66, ур. 5-23
  12. ^ Lynn, § 147, стр. 827, ур. 8–21
  13. ^ Линн, §8-147, стр. 827, ур. 8-20
  14. ^ Хамейер, стр. 68, ур. 5-31
  15. ^ Lynn, § 147, стр. 827, ур. 8-22
  16. ^ Линн, §8-148 к §8-151, стр. 827-828
  17. ^ Хамейер, стр. 69
  18. ^ Алджер, §7-278, стр. 757
  19. ^ Алджер, §7-277, стр. 757
  20. ^ Линн, §8-154, стр. 828
  21. ^ MIT CIPD
  22. ^ Герман, Стивен Л. Управление электродвигателем. 9 изд. Делмар, Cengage Learning, 2009. Стр. 12.
  23. ^ Малькольм Барнс. Практичные частотно-регулируемые приводы и силовая электроника. Elsevier, Newnes, 2003. Страница 151.
  24. ^ Дж. Льюис Блэкберн. Релейная защита: принципы и применение. CRC Press, 1998. Стр. 358.
  25. ^ Огайо Электромоторы. Защита двигателя постоянного тока. Огайо Электромоторс. 2011. Архивировано 15 ноября 2011 г., на WebCite.
  26. ^ Х. Уэйн Бити и Джеймс Л. Кертли. Справочник по электродвигателю. McGraw-Hill Professional, 1998. Стр. 97.
  27. ^ Руководство Хокинса по электричеству . Тео. Audel & Co. 1917. С. 664–669.
  28. ^ Пантониаль, Роэль; Килантанг, Алан; Буэнаобра, Бернардино (ноябрь 2012 г.). «Тепловая оценка щеточного двигателя постоянного тока в реальном времени с помощью алгоритма фильтра Калмана в установившемся режиме в многочастотной схеме дискретизации». TENCON 2012 IEEE Region 10 Conference : 1–6. DOI : 10.1109 / TENCON.2012.6412194 . ISBN 978-1-4673-4824-9. S2CID  25418197 .
  29. ^ Акарнли, PP; Аль-Тайе, Дж. К. (январь 1997 г.). «Оценка скорости и температуры якоря в щеточном приводе постоянного тока с использованием расширенного фильтра Калмана» . IEE Proceedings - Electric Power Applications . 144 (1): 13–20. DOI : 10.1049 / IP-EPA: 19970927 . ISSN 1350-2352 . 
  30. ^ НЕСТЛЕР, H .; САТТЛЕР, PH K. (1993-01-01). «Онлайн-оценка температуры в электрических машинах наблюдателем». Электрические машины и энергетические системы . 21 (1): 39–50. DOI : 10.1080 / 07313569308909633 . ISSN 0731-356X . 
  31. ^ Mellah, Hacene; Хемсас, Камель Эддуан; Талеб, Рашид; ЧЕКАТИ, Карло (2018). «Оценка скорости, температуры и сопротивления якоря в щеточных машинах постоянного тока с использованием CFNN на основе BFGS BP». Турецкий журнал электротехники и компьютерных наук . 26 (6): 3182–3192. arXiv : 1902.03171 . DOI : 10.3906 / Лось-1711-330 . S2CID 69944028 . 

Библиография [ править ]

  • Алджер, П.Л. (1949). «§ 7-277 - § 7-287« Электродвигатели переменного тока »в разделе 7 - Генераторы и двигатели переменного тока». В Ноултоне, AE (ред.). Стандартный справочник для инженеров-электриков (8-е изд.). Макгроу-Хилл. С. 826–831.
  • Хамейер, Кей (2001). «§5.2« Основные уравнения »в разделе 5 - Машина постоянного тока». Электрическая машина I: основы, конструкция, функции, работа . RWTH Институт электрических машин Ахенского университета.
  • Линн, К. (1949). «§8-144 - §8-165« Характеристики и регулирование двигателя »в разделе 8 - Генераторы постоянного тока и двигатели». В Ноултоне, AE (ред.). Стандартный справочник для инженеров-электриков (8-е изд.). Макгроу-Хилл. С. 826–831.
  • MIT CIPD (2009). «Понимание характеристик двигателя постоянного тока» . Проектирование с двигателями постоянного тока . Массачусетский технологический институт, мех. Инжиниринг, CIPD . Проверено 11 декабря 2008 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Как работают электрические двигатели (получено из веб-архива 31.01.2014)