Схема коллекторного двигателя переменного тока

Работа коллекторного электродвигателя переменного тока

В бытовой технике, ручном электроинструменте, автомобильном электрооборудовании и системах автоматики очень часто применяется коллекторный электродвигатель переменного тока, схема подключения которого, как и устройство схожи с двигателями постоянного возбуждения постоянного тока.

Столь распространенное применение их объясняется компактностью, небольшим весом, невысокой стоимостью и простотой управления. В этом сегменте наиболее востребованы двигатели с высокой частотой и малой мощностью.

Принцип работ и конструктивные особенности

Устройство это достаточно специфичное, обладающее в силу схожести с машинами постоянного тока, похожими характеристиками и присущими им достоинствами.

Отличие от двигателей постоянного тока состоит в материале корпуса статора, изготовленном из листов электротехнической стали, благодаря чему удается добиться снижения потерь на вихревые токи.

Чтобы двигатель мог работать от обычной сети, т.е. 220 в, обмотки возбуждения соединяются последовательно.

Эти двигатели, называемые универсальными благодаря тому, что работают они от переменного и постоянного тока, бывают одно- и трехфазными.

Видео: Универсальный коллекторный двигатель

Из чего состоит конструкция?

Устройство электродвигателя переменного тока включает помимо ротора и статора:

тахогенератор;
щеточно-коллекторный механизм.

Ток якоря взаимодействует с магнитным потоком обмотки возбуждения, вызывая в коллекторном механизме вращение ротора. Ток подается через щетки на коллектор, являющийся узлом ротора и соединенным с обмоткой статора последовательно. Он собран из пластин, имеющих в сечении форму трапеции.

Продемонстрировать принцип работы такого двигателя можно с помощью хорошо известного со школьной программы опыта с вращающейся рамкой, которую поместили между разноименными полюсами магнитного поля. Она вращается под воздействием динамических сил, когда по ней протекает ток. При изменении направления тока, рамка не меняет направления вращения.

Примести к выходу из строя механизма могут высокие обороты холостого хода, вызванные максимальным моментом при последовательном подсоединении обмоток возбуждения.

Схема подключения (упрощенная)

Типовая схема подключения предусматривает вывод на контактную планку до десяти контактов. Протекающий по одной из щеток ток L поступает на коллектор и якорь, затем переходит на обмотки статора через вторую щетку и перемычку, выходя на нейтраль N.

Реверса мотора подобный способ подключения не предусматривает, поскольку подсоединение обмоток параллельное приводит к одновременной смене полюсов магнитных полей. В итоге, направление момента всегда одинаково.

Рекомендуем:

Изменить направление вращения возможно, если поменять на контактной планке местами выхода обмоток. Напрямую двигатель включают, когда вывода ротора и статора подсоединены щеточно-коллекторный механизм. Для включения второй скорости используются выводы половины обмотки. Нельзя забывать, что с момента такого подключения мотор работает на максимальную мощность, поэтому время его эксплуатации не может превышать 15 секунд.

Видео: Подключение и регулировка оборотов двигателя от стиральной машины

Управление двигателем

На практике применяют различные способы регулирования работы двигателя. Это может быть электронная схема, где регулирующим элементом выступает симистор, который на мотор «пропускает» заданное напряжение. Работает он как мгновенно срабатывающий ключ, открываясь, когда на его затвор поступает управляющий импульс.

В основе принципа действия, реализованного в схемах с симистором, лежит двухполупериодное фазовое регулирование, где к импульсам, которые поступают на электрод, привязано напряжение, подаваемое на двигатель. При этом, частота, с которой вращается якорь, прямо пропорциональна напряжению, подаваемому на обмотки.

Упрощенно этот принцип можно описать такими пунктами:

на затвор симистора подается сигнал от электронной схемы;
затвор открывается, ток течет по обмоткам статора, вызывая вращение якоря мотора М;
мгновенные величины частоты вращения преобразуются тахогенератором в электрические сигналы, формируя с импульсами управления обратную связь;
как следствие, вращение ротора при любых нагрузках, остается равномерным;
с помощью реле R и R1 осуществляется реверс мотора.

Другая схема – тиристорана фазоимпульсная.

Преимущества машин и недостатки

К достоинствам относят:

небольшие размеры;
универсальность, т.е. работу на напряжении постоянном и переменном;
большой пусковой момент;
независимость от сетевой частоты;
быстроту;
мягкую регулировку оборотом в широком диапазоне при варьировании напряжением питания.

Недостатки связаны и использованием щеточно-коллекторного перехода, влекущего:

уменьшение срока службы механизма;
возникновение между щетками и коллектором искры;
высокий уровень шума;
большое число коллекторных элементов.

Основные неисправности

Искрение, возникающее между щетками и коллектором – самый главный вопрос, требующий внимания. Чтобы избежать неисправностей более серьезных, таких как их отслаивание и деформация или перегрев ламелей, сработавшуюся щетку необходимо заменить.

Помимо этого, возможно замыкание между обмотками якоря и статора, вызывающее сильное искрение на переходе коллектор-щетка или значительное падение магнитного поля.

Чтобы продлить срок службы двигателя, необходимо соблюдение двух условий – профессиональный изготовитель и грамотный пользователь, т.е. строгое соблюдение режима работы.

Видео: Коллекторный электрический двигатель

Устройство и подключение однофазных электродвигателей 220В

Однофазные электродвигатели 220В широко используются в разнообразных бытовых и промышленных устройствах: холодильниках, стиральных машинах, насосах, дрелях, заточных и подобных им обрабатывающих станках. Их технические характеристики несколько уступают свойствам трехфазных двигателей. Существует два наиболее распространенных типа однофазных электродвигателей для сети переменного тока промышленной частоты:

Первые более просты по своему устройству, но обладают рядом недостатков, главные из которых – трудности с изменением направления и частоты вращения ротора.

Далее рассмотрены однофазные асинхронные электродвигатели и коллекторные двигатели переменного тока.

Однофазные асинхронные электродвигатели

Устройство и принцип действия

Мощность такого однофазного двигателя 220В может в зависимости от конструкции находиться в пределах от 5 Вт до 10 кВт. Его ротор – это обычно короткозамкнутая обмотка («беличья клетка») – медные или алюминиевые стержни, замкнутые с торцов.

Такой однофазный двигатель, как правило, имеет две смещенные на 90° друг относительно друга обмотки. Рабочая (главная) при этом занимает большую часть пазов статора, а пусковая (вспомогательная) – оставшуюся. И однофазным его называют потому, что у него лишь одна рабочая обмотка.

Переменный ток, протекающий по главной обмотке, создает периодически меняющееся магнитное поле. Его можно считать состоящим из двух круговых с одинаковой амплитудой, вращающихся навстречу друг другу.

По закону электромагнитной индукции в замкнутых витках ротора меняющийся магнитный поток создает индукционный ток, взаимодействующий с порождающим его полем. Если ротор неподвижен, моменты действующих на него сил одинаковы, вследствие чего ротор остается неподвижным.

Если же ротор начать вращать, то равенство моментов этих сил нарушится, поскольку скольжение его витков относительно вращающихся магнитных полей станет разным. Как следствие – сила Ампера, действующая на витки ротора со стороны прямого магнитного поля, будет значительно больше, чем со стороны обратного.

Индукционный ток в витках ротора может возникать лишь при пересечении ими силовых линий магнитного поля. А для этого они должны вращаться со скоростью, чуть меньшей, чем частота вращения поля (при одной паре полюсов – 3000 об/мин). Отсюда и название, которое получили такие электродвигатели, асинхронные.

При увеличении механической нагрузки скорость вращения уменьшается, возрастает величина индукционного тока в витках ротора. Как следствие – возрастают и механическая мощность двигателя, и мощность потребляемого им переменного тока.

Схема запуска и подключения

Понятно, что раскручивать вручную ротор при каждом запуске электродвигателя неудобно. Для создания первоначального пускового момента и используется пусковая обмотка. Поскольку она составляет с рабочей обмоткой прямой угол, для создания вращающегося магнитного поля ток в ней должен быть сдвинут по фазе относительно тока в рабочей обмотке тоже на 90°.

Добиться этого можно включением в цепь ее питания фазосмещающего элемента. Резистор или дроссель обеспечить фазовый сдвиг в 90° не могут, поэтому в большинстве ситуаций логично использование конденсатора в качестве фазосмещающего элемента. В этом случае однофазный электродвигатель обладает наилучшими пусковыми свойствами.

Когда фазовращающий элемент является конденсатором, однофазные электродвигатели конструктивно могут быть такими:

с пусковым конденсатором (рис. а);
с пусковым и рабочим (рис. б);
только с рабочим конденсатором (рис. в).

Первый (наиболее распространенный) вариант предусматривает подключение пусковой обмотки с конденсатором ненадолго на время пуска, после чего они отключаются. Реализовать его можно с помощью реле времени, а то и просто за счет замыкания цепи во время нажатия пусковой кнопки. Эта схема запуска характеризуется сравнительно небольшим пусковым током, но в номинальном режиме характеристики невысоки. Причина в том, что поле статора является эллиптическим (в направлении полюсов оно сильнее, чем в перпендикулярном).

Схема с рабочим, постоянно включенным конденсатором лучше работает в номинальном режиме, но имеет посредственные пусковые характеристики. Вариант с пусковым и рабочим конденсатором является промежуточным между двумя описанными выше. Расчет значений их емкостей сравнительно прост: у рабочего 0,75 мкФ на 1 кВт мощности, у пускового – в 2,5 раза больше.

Коллекторный двигатель переменного тока

Рассмотрим коллекторный двигатель переменного тока. Универсальные коллекторные электродвигатели могут питаться от источников как переменного, так и постоянного тока. Они часто используются в электроинструментах, швейных и стиральных машинах, мясорубках – там, где нужен реверс, регулировка частоты вращения ротора или его вращение с частотой более 3000 об/мин.

Обмотки статора и ротора коллекторного электродвигателя соединяются последовательно. К обмоткам ротора ток подводится через щетки, соприкасающиеся с пластинами коллектора, к которым подсоединяются концы обмоток ротора.

Реверс однофазного двигателя с коллектором осуществляется за счет изменения полярности включения в сеть обмоток статора или ротора, а скорость вращения можно регулировать, изменяя величину тока в обмотках.

Основные недостатки такого двигателя:

высокая стоимость;
сложность устройства, практическая невозможность самостоятельно осуществить его ремонт;
значительный уровень шума, трудное управление, создание радиопомех.

Остается добавить, что при использовании устройств, содержащих однофазный электродвигатель, следует самое пристальное внимание уделить выбору его типа, схеме подключения, тому, как правильно осуществить расчет элементов.

КОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Коллекторные двигатели переменного тока в принципе отличаются от двигателей постоянного тока последовательного возбуждения (рис. 2.1) лишь тем, что их магнитную систему, включая станину и полюсы, делают шихтованной из листовой электротехнической стали. Это необходимо для уменьшения магнитных потерь, которые в двигателе переменного тока имеют повышенную величину, так как магнитный поток возбуждения является переменным (изменяется с частотой сети).

Рис. 2.1. Схема коллекторного двигателя переменного тока

Электромагнитный (вращающий) момент в коллекторном двигателе переменного тока создается так же, как в двигателе постоянного тока, за счет взаимодействия тока якоря с магнитным потоком возбуждения Ф:

. (2.1)

Однако здесь и ток якоря, и магнитный поток изменяются с частотой сети, причем поток несколько отстает по фазе от тока за счет потерь в стали (рис. 2.2):

; (2.2)

. (2.3)

Рис. 2.2. Кривые вращающего момента, тока и магнитного потока коллекторного двигателя переменного тока

Подставив выражения I и Ф в уравнение момента и преобразовав его, получим

, (2.4)

(2.5)

Из выражений (2.4, 2.5) следует, что вращающий момент коллекторного двигателя переменного тока имеет две составляющие:

– постоянную (не зависящую от t)

; (2.6)

– переменную (изменяющуюся с удвоенной частотой сети)

. (2.7)

На рис. 2.2 представлена зависимость электромагнитного момента коллекторного двигателя переменного тока в функции времени. Анализ ее показывает, что фазовый сдвиг является причиной появления в течение каждого периода некоторого отрицательного значения электромагнитного момента. С увеличением фазового сдвига отрицательная составляющая момента возрастает и при становится равной положительной составляющей. В этом случае среднее за период значение момента равно нулю и двигатель не работает.

Коллекторные двигатели переменного тока выполняют с последовательным возбуждением – ток якоря является также и током возбуждения. Этим объясняется тем, что фазовый сдвиг между током I и потоком Ф невелик.

Анализ зависимости M = f(t) показывает также, что в течение периода величина момента не остается постоянной, а достигает максимума, когда произведение тока на поток максимально, и падает до нуля при нулевом значении одного из сомножителей. Однако пульсации момента не нарушают работу двигателя, так как частота пульсаций велика, а вращающиеся части обладают значительной инерцией.

По своим рабочим свойствам коллекторный двигатель переменного тока напоминает двигатель постоянного тока последовательного возбуждения. Большим недостатком коллекторных двигателей переменного тока является неудовлетворительная коммутация, сопровождающаяся искрением на щетках. Объясняется это тем, что в коммутируемых секциях обмотки якоря кроме реактивной составляющей э.д.с. е_р и э.д.с. вращения е_вр возникает еще и трансформаторная э.д.с. е_тр, наводимая переменным магнитным потоком возбуждения.

Универсальные коллекторные двигатели получили большое распространение в устройствах автоматики и в бытовых электроприборах. Это двигатели малой мощности, которые могут работать как от постоянного, так и от переменного тока. Магнитная система их выполняется полностью шихтованной из листовой электротехнической стали.

В универсальном коллекторном двигателе стремятся получить примерно одинаковые частоты вращения при номинальной нагрузке как на постоянном, так и на переменном токе. Достигается это тем, что обмотку возбуждения электродвигателя выполняют с ответвлениями: при работе электродвигателя от сети постоянного тока обмотка возбуждения используется полностью, а при работе от сети переменного тока – лишь частично (рис. 2.3).

Рис. 2.3.Принципиальная схема универсального коллекторного двигателя последовательного возбуждения

Однако и в этом случае наблюдается расхождение характеристик двигателей, работающих на постоянном и переменном токах, обусловленное тем, что при работе на переменном токе на величину и фазу тока оказывают влияние индуктивные сопротивления обмоток якоря и возбуждения. Уменьшение числа витков обмотки возбуждения двигателя, работающего на переменном токе, обеспечивает сближение механических характеристик лишь при номинальной нагрузке. На рис. 2.4 приведены рабочие Характеристики универсального коллекторного двигателя мощностью 55 Вт.

Рис. 2.4. Рабочие характеристики универсального коллекторного двигателя

Величина тока, потребляемого универсальным двигателем при работе на переменном токе, больше, чем при работе этого же двигателя на постоянном токе, так как переменный ток помимо активной составляющей имеет еще и реактивную составляющую. К.п.д. универсального двигателя на переменном токе ниже, чем на постоянном, что объясняется повышенными магнитными и электрическими потерями.

Регулирование частоты вращения двигателей переменного тока и универсальных двигателей осуществляется точно так же, как и двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Да какие ж вы математики, если запаролиться нормально не можете. 8453 – | 7346 – или читать все.

93.79.246.243 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно