Глава №9: Коллекторные двигатели

Вопрос №1: Укажите особенности конструктивного исполнения коллекторных микро­двигателей постоянного и переменного тока.

Коллекторные микро­двигатели имеют меньшие массу и объем на единицу полезной мощ­ности и более высокий КПД по сравнению с асинхронными и син­хронными двигателями. В отличие от коллекторных машин большой мощности коллекторные микродвигатели не имеют дополнительных полюсов и компенсационных обмоток и выполняются, как правило, двухполюсными.

Широкое распространение коллекторных микродвигателей обу­словлено такими их положительными качествами, как получение са­мых различных частот вращения, плавное и экономичное изменение частоты вращения в широком диапазоне, сравнительно высокий КПД, большие пусковые моменты, небольшие габаритные размеры и масса. Основным недостатком коллекторных двигателей, ограничи­вающим области их применения, является наличие у них щеточно-коллекторного узла, снижающего надежность работы, особенно в условиях тряски, вибраций, резко меняющихся температуры, дав­ления и т.п.

Несмотря на наличие скользящих контактов, коллекторные мик­родвигатели широко применяются для привода самых различных механизмов, особенно в электроприводах, питающихся от автоном­ных источников питания (автомобили, самолеты, морские и речные суда, ракеты, космические станции и т.п.). Коллекторные ДПТ по способу возбуждения можно разде­лить на двигатели с независимым или параллельным возбуждением, последовательным возбуждением, возбуждением от постоянных магнитов (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Схемы включения ДПТ:

а — с независимым возбуждением; б — с параллельным возбуждением; в — с последовательным возбуждением; г — с возбуждением от посто­янных магнитов

Конструктивно ДПТ имеют закрытое или защищенное исполне­ние. Особенностью конструкции якоря коллекторных МД мощностью в единицы и десятки ватт является малое число па­зов. Коллекторы МД, как правило, имеют пластмассо­вую основу. Иногда для увеличения прочности коллекторы снабжаются специальными армирующими кольцами. Концы секций обмоток якоря электрически соединены с пластина­ми коллектора. На подшипниковых щитах устанавливаются щеткодержатели, в которых располагаются щетки. Щетки прижимаются к коллектору пружинами.

Вопрос №2: Назовите способы регулирования частоты вращения коллекторных двигате­лей.

В ДПТ, включен­ном по схеме рис. 9.1, б, приложенное к якорю напряжение U урав­новешивается при вращении якоря ЭДС, наводимой в обмотке ос­новным магнитным потоком и падением напряжения в цепи якоря:

где Iя — ток якоря; гя — сопротивление обмотки якоря; гщ — сопро­тивление щеточного контакта; гр — сопротивление включенных по­следовательно с якорем регулировочных резисторов.

Электродвижущая сила Ея пропорциональна магнитному потоку Ф и частоте вращения якоря и:

где се = pN/(60a) — постоянная величина;р — число пар полюсов; N — число проводников обмотки якоря; а — число пар параллель­ных ветвей.

Частота вращения якоря ДПТ, согласно (9.1) и (9.2),

Из (9.5) следует, что частоту вращения при неизменной нагрузке можно регулировать одним из трех следующих способов:

1) путем изменения напряжения питания U;

2) путем изменения сопротивления цепи якоря 2гя;

3) путем изменения магнитного потока Ф.

Вопрос №3: Перечислите достоинства и недостатки ДПТ малой мощности.

В настоящее время из большого разнообразия известных коллек­торных двигателей переменного тока малой мощности в схемах ав­томатики применяются в основном лишь однофазные коллекторные двигатели с последовательным возбуждением. Эти двигатели по своему устройству почти не отличаются от ДПТ с последователь­ным возбуждением. Отличие заключается в том, что они имеют не литые, а шихтованные из листовой электротехнической стали не только якорь, но и станину, и полюсы (рис. 9.7). Последнее необхо­димо для уменьшения потерь на вихревые токи от переменного во времени магнитного потока. Обмотка возбуждения коллекторного двигателя переменного тока часто делится на две части, включаемые с разных сторон якоря (рис. 9.8). Такое симметрирование обмоток позволяет снизить радиопомехи. Основные уравнения. Уравнение равновесия напряжений кол­лекторного двигателя переменного тока значительно сложней анало­гичного уравнения ДПТ. Объясняется это тем, что при переменном токе необходимо учитывать ЭДС, которые наводятся в обмотках возбуждения и якоря переменными во времени магнитными потоками

Рис. 9.8. Схема включения коллекторного

двига­теля переменного тока

Вопрос №4: Сравните вращающие моменты коллекторных двигателей при работе на по­стоянном и переменном токе.

Вращающий момент коллекторного двига­теля переменного тока создается, так же как и у ДПТ, в результате взаимодействия тока обмотки якоря с магнитным потоком полюсов: Если ток якоря 1_Я и магнитный поток полюсов Ф_в совпадают по фазе во времени, то вращающий момент М, несмотря на переменный характер r_я и Ф_в, не изменяет своего направления, так как одновре­менно с током аналогично изменяется и поток. Однако вследствие изменения тока и потока во времени вращающий момент не остается постоянным. При наличии временного сдвига 3 между током /_я и потоком Ф в определенные моменты времени вращающий момент М даже меняет знак. ,

М = 0,5с_м1_ятФ_втсоs β - 0,5с_м1_ятФ_вт cos(2w1t + β) = М_ср + М_пер

Рассматривая это выражение, убеждаемся в том, что вращающий момент однофазно­го коллекторного двигателя кроме постоянной составляющей М_ср содержит еще переменную составляющую М_пер, которая изменяется во времени с двойной частотой сети. В моменты времени, когда ток i или поток Ф_в проходит через нуль, вращающий момент равен ну­лю. В определенные моменты времени вращающий момент М при­нимает отрицательные значения. Значение отрицательного момента зависит от угла сдвига тока и потока р. При Р = 0 амплитуда пере­менной составляющей момента М равна постоянной составляю­щей момента М и момент не имеет отрицательных значений. Угол Р отставания магнитного потока от тока возникает из-за потерь в стали, поэтому в коллекторных двигателях переменного тока все­гда стремятся максимально уменьшить потери в стали.

Пульсация момента, наблюдаемая у рассматриваемых двигате­лей, вследствие большой ее частоты и значительных маховых масс якоря и вращающихся частей механизмов, приводимых во вращение двигателем, практически не отражается на средней скорости. Однако в приводах, где требуется высокая стабильность мгновенной скоро­сти, с ней нельзя не считаться.

м

вид гиперболы.

Рис.9.10. Зависимость

вращающего мо­мента

коллекторного двигателя

перемен­ного тока во времени

По своим рабочим свойствам однофазный коллекторный двига­тель переменного тока напоминает аналогичный ДПТ, однако не­сколько уступает ему по своим энергетическим показателям, что объясняется увеличенными потерями в стали за счет потерь в стани­не и полюсах.

Вопрос №5: Из-за чего при работе коллекторного двигателя на переменном токе магнитный поток и потребляемый ток сдвинуты по фазе?

Рис. 9.9. Векторная диаграмма коллекторного двигателя перемен­ного тока,

β — угол сдвига по фазе между током и потоком в якоре, обусловленный в ос­новном потерями в стали, создает поперечный поток ротора Ф и поток рассеяния якоря Ф_я5

Вопрос №6: Объясните причину возникновения трансформаторной ЭДС в коммутируе­мой секции коллекторного двигателя, работающего на переменном токе.

В коммутируемой секции (секции, замкнутой щетками накоротко) кроме реактивной ЭДС и ЭДС вращения наводится еще ЭДС трансформации. Эта ЭДС возни­кает вследствие пульсации потока полюсов, с осью которых совпа­дает ось коммутируемой секции, являющейся как бы замкнутой на­коротко вторичной обмоткой трансформатора, первичной обмоткой которого является обмотка возбуждения. Электродвижущая сила трансформации Е_{к т} в отличие от реак­тивной ЭДС E_kR и ЭДС вращения Е_к не зависит ни от частоты вращения, ни от нагрузки — тока /_я, кроме того, она сдвинута от E_kR и Е_к по фазе (рис. 9.11). Суммарная ЭДС коммутируемой секции

при изменении частоты вращения и нагрузки изменяется не толь­ко по значению (за счет E_kR и Ё_к ), но и по фазе (из-за нали­чия Е_КТ), что затрудняет сведение ее к нулю, даже при примене­нии дополнительных полюсов и компенсационных обмоток.

Вопрос №7: Изобразите схему включения УКД.

Вопрос №8: Каковы достоинства и недостатки УКД?

По своему устройству УКД почти не отличаются от коллектор­ных двигателей переменного тока с последовательным возбуждени­ем. Их отличительная особенность — наличие дополнительных средних выводов у обмоток возбуждения При работе на постоянном токе под напряжением находится вся обмотка возбужде­ния, а при работе на переменном токе — лишь часть ее. Последнее необходимо для сближения механических характеристик УКД на постоянном и переменном токе (рис. 9.13). Дело в том, что при ис­пользовании всей обмотки на постоянном токе УКД развивает боль­шие моменты и имеет большие частоты вращения, чем на перемен­ном токе, что объясняется влиянием на переменный ток и его фазу индуктивных сопротивлений обмоток якоря и возбуждения. Однако даже при использовании на переменном токе только части витков обмотки возбуждения УКД может быть универсальным лишь по зна­чению вращающего момента, развиваемой мощности и частоте вра­щения, причем только при номинальной частоте вращения. При всех других частотах вращения рабочие характеристики УКД на пере­менном токе хуже, чем на постоянном.

Ток УКД с уменьшенным числом витков обмотки возбуждения при его работе от сети переменного тока больше, чем при работе от сети постоянного тока при той же механической мощности на валу. Это объясняется тем, что в первом случае ток кроме активной со­ставляющей, которая при соответствующей нагрузке примерно рав­на току УКД при его работе от сети постоянного тока, имеет еще ре­активную составляющую. Потери в УКД при перемен­ном токе больше, чем при по­стоянном, так как при перемен­ном токе к потерям, имеющим­ся при постоянном токе, добав­ляются еще по^~ я в стали ста­тора, а также потери в меди об­моток вследствие увеличения потребляемого УКД тока.

Искрение под щетками, ра­диопомехи и шум УКД при пе­ременном токе значительно больше, чем при постоянном,что объясняется ухудшенными условиями коммутации вследствие наличия в коммутируемых секциях трансформаторной ЭДС.

Характеристики УКД принципиально не отличаются от характе­ристик ДПТ с последовательным возбуждением, однако во многом уступают им.