13.5. Універсальний колекторний двигун

Універсальним називають однофазний колекторний двигун, призначений для роботи від мережі змінного або постійного струму. Машина постійного струму з самозбудженням принципово може працювати від мережі змінного струму, оскільки одночасно змінюється напрям струму якоря й магнітного потоку збудження, внаслідок чого знак середнього обертаючого моменту залишається постійним.

Універсальний колекторний двигун може виконуватись з послідовним, паралельним або незалежним збудженням.

Рис. 13.21. Схема вмикання універсального колекторного двигуна

Частіше застосовується послідовне збудження (рис. 13.21), оскільки з іншими системами збудження або значно зменшується обертаючий момент, або занадто ускладнюється схема керування двигуном.

Якір універсального двигуна такий же, як у звичайного двигуна постійного струму. Вся магнітна система виконується шихтованою для зменшення магнітних втрат внаслідок наявності змінних магнітних потоків. З метою зближення робочих характеристик при живленні від мереж змінного та постійного струмів обмотка збудження секціонується, а для зменшення радіозавод – симетрується. Для зменшення радіозавод застосовуються також фільтри.

Універсальні колекторні двигуни застосовуються в телеграфних апаратах, пристроях автоматики й телемеханіки, в годинниковій промисловості, в побутових, рахунково-канцелярських установках, приладах точної механіки, для електрифікованого ручного інструменту і т. д. На постійному струмі універсальний двигун працює як звичайний двигун постійного струму. На змінному струмі виникає низка особливостей. В цьому режимі живлення миттєве значення електромагнітного моменту m_t дорівнює:

, (13.49)

де миттєве значення струму якоря:

; (13.50)

миттєве значення магнітного потоку:

; (13.51)

І_mа, _m – амплітуди відповідно струму якоря та магнітного потоку;

γ – кут, який визначається втратами в сталі.

Після врахування співвідношень (13.50) та (13.51) у (13.49) та перетворень одержуємо:

. (13.52)

Таким чином, миттєве значення електромагнітного моменту складається з постійної та змінної складових:

. (13.53)

У формулах (13.52), (13.53) постійну складову визначає середній момент:

. (13.54)

Не дивлячись на те, що момент m_t змінний, а в окремих проміжках часу – гальмівний, якір обертається з рівномірною швидкістю внаслідок наявності моменту інерції.

Таким чином, момент М_ср при живленні від мережі змінного струму, крім потоку та струму І_а, визначається кутом γ між векторами цих величин. Для одержання найбільшого обертаючого моменту необхідно, щоб cosγ=1, γ=0. Тому при паралельному або незалежному збудженні необхідні спеціальні фазозсовуючі пристрої. При послідовному збудженні потік _m завжди майже співпадає зі струмом І_mа, тобто кут γ малий (рис. 13.22)

Рис. 13.22. Часові діаграми зміни струму, потоку й моменту універсального колекторного двигуна

Рівняння електричної рівноваги двигуна з послідовним збудженням:

. (13.55)

Рис. 13.23. Векторна діаграма універсального колекторного двигуна

Тому векторна діаграма може бути подана рис. 13.23. Оскільки

,

то

. (13.56)

Поява у чисельнику доданку робить механічну характеристику крутішою, ніж при живленні від мережі постійного струму. Співвідношення чисел витків при живленні від постійної та змінної напруг вибираються таким чином, щоб при номінальному навантаженні було найбільше зближення характеристик (рис. 13.24).

Рис. 13.24. Механічні характеристики двигуна при живленні від мереж постійного 1 та змінного 2 струму

При живленні від мережі змінного струму якірний струм більший, оскільки з'являється реактивна складова й активна, відповідно збільшенню втрат в сталі.

З цих причин ККД двигуна на змінному струмі менший, ніж на постійному. Зі збільшенням навантаження cosγ зменшується. Регулювання швидкості на змінному струмі здійснюється так, як і на постійному.

Розглянемо особливості комутації. В комутуючій секції, крім реактивної ЕРС, наводиться трансформаторна ЕРС. Як і в машині, працюючий на постійному струмі, реактивна ЕРС виникає в результаті зміни величини струму в комутуючій секції від +і_а до - і_а (рис. 13.25.)

Рис.13.25. Струм у комутуючій секції

Відмінність полягає в тому, що струм і_а змінний:

. (13.57)

Тому реактивна ЕРС залежить від величини струму і_а в момент комутації:

. (13.58)

Трансформаторна ЕРС відстає від потоку, який її створив на кут π/2:

. (13.59)

Рис. 13.26. Векторна діаграма ЕРС в комутуючій секції

На рис.13.26. подана векторна діаграма при γ≈0, з якої випливає

. (13.60)

Додаткові полюси компенсують ЕРС ℓ_р, а ℓ_тр залишається не зкомпенсованою й створює додатковий струм, який замикається через щітки. Це сильно збільшує іскріння, завади й погіршує комутацію. Умови особливо несприятливі при пуску.

Термін служби колектора, щіток та машини в цілому при роботі на змінному струмі менший, ніж на постійному.

Універсальні двигуни дають можливість плавно регулювати швидкість обертання на змінному струмі. Швидкість доходить до 40000 об/хв.. Вони мають малі габарити й масу.

Контрольні запитання

1. Призначення, області застосування та основні вимоги, які ставляться до виконавчих двигунів постійного струму. Які напруга, потужність та ККД таких двигунів?

2. Як класифікуються виконавчі двигуни постійного струму за конструкцією якоря? За системою збудження?

3. Яка конструкція, переваги й недоліки виконавчих двигунів постійного струму з порожнистим якорем?

4. Яка конструкція, переваги й недоліки виконавчих двигунів постійного струму з дисковим якорем?

5. Особливості конструкції та роботи двигунів постійного струму з гладким якорем, з постійними магнітами.

6. Які способи керування застосовуються для виконавчих двигунів постійного струму? Що таке якірне керування? Наведіть рівняння механічної та регулювальної характеристик та їхні графіки.

7. Як залежать потужності збудження та керування від коефіцієнта сигналу α при якірному керуванні? Наведіть графіки. Проаналізуйте.

8. Дайте характеристику полюсного керування виконавчим двигуном постійного струму. Навести рівняння у відносних одиницях механічної та регулювальної характеристик та їхні графіки.

9. Навести формули для потужностей керування та збудження у відносних одиницях при полюсному керуванні та їхні графіки. Проаналізуйте.

10. Що таке однополярне та двополярне імпульсне регулювання виконавчими двигунами постійного струму? Наведіть характеристики для якірного та полюсного імпульсного регулювання.

11. Охарактеризуйте без колекторний мікро привод постійного струму.

12. Які пускові властивості виконавчих двигунів постійного струму? Особливості конструкції та пуску двигунів з постійними магнітами.

13. Порівняйте різні способи керування виконавчими двигунами постійного струму.

14. Універсальні колекторні двигуни. Особливості їхньої роботи на постійному та змінному струмах. Наведіть необхідні схеми та графіки.

Розділ 14. Електричні машини з ротором, який котиться (ДКР)