13. Двигатели постоянного тока

13.1. Назначение и область применения машин постоянного тока

Машины постоянного тока энергетически обратимы, т. е. они могут быть как двигателями так и генераторами. Машины постоянного тока широко применяются в качестве двигателей, реже – в качестве генераторов. Двигатели постоянного тока (ДПТ) обладают следующими преимуществами:

– возможностью плавного регулирования частоты вращения;

– лучшими пусковыми качествами, т. е. могут развивать большой пусковой момент при относительно небольшом токе.

Благодаря этому их широко используют в качестве тяговых двигателей на электротранспорте.

Машины постоянного тока входят в состав автомобильного, судового и самолетного электрооборудования, а также дорожно–строи-тельных машин.

Кроме того ДПТ являются исполнительными звеньями систем автоматического регулирования.

Генераторы напряжением 612 В применяются для питания электролитических ванн, зарядки аккумуляторных батарей.

В пищевой промышленности на складских помещениях применяются электропогрузчики и электротележки с источником питания в виде аккумуляторных батарей, поэтому там применяются ДПТ со смешанным возбуждением мощностью 510 кВт.

Кроме того, на пищевых предприятиях нашли применение промышленные роботы (ПР), которые позволили освободить человека от тяжелых или ручных операций, включая и вредные работы, а следовательно перейти к комплексной автоматизации серийного производства. Следящие приводы ПР строятся на базе электродвигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. К преимуществу этих двигателей следует отнести их малую инерционность, высокий КПД и независимость магнитного потока возбуждения от изменения температуры окружающей среды.

Общим недостатком ДПТ является сложность их конструкции, связанная со щеточно-коллекторным механизмом, осуществляющим постоянную перекоммутацию цепей электрической машины из-за которой возникает искрение. Это снижает надежность машин и ограничивает область их применения.

Существенным недостатком ДПТ является необходимость предварительного преобразования для них электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

13.2. Устройство и принцип действия двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока состоят из трех основных частей:

– неподвижная часть – станина с индуктором;

– вращающаяся часть – якорь;

– коллектор, закрепленный на валу якоря и вращающийся вместе с ним.

Индуктор – система неподвижных электромагнитов (полюсов), установленных по окружности на станине машины, которые состоят из сердечников, полюсных наконечников, необходимых для создания требуемого распределения магнитного потока и обмоток, называемых обмотками возбуждения.

Сердечники и полюсные наконечники выполнены из листовой электротехнической стали.

Станина – литая или сварная – выполнена из чугуна или стали, на ней устанавливаются полюса и подшипниковые щиты, в которых закрепляются подшипники вала якоря. Станина также является ярмом машины, обеспечивающим замкнутость магнитопровода.

Назначение индуктора – создавать магнитный поток при пропускании тока по обмотке возбуждения.

Якорь состоит из зубчатого сердечника и обмоток, уложенных в пазах сердечника, которые называются обмотками якоря.

Сердечник якоря выполнен из листовой электротехнической стали (толщиной 0,5 мм), из которой штампуют диски с пазами. Диски покрыты изоляционным лаком для уменьшения потерь от вихревых токов.

Обмотки якоря представляют собой секции в виде катушек, выполненных из изолированного медного провода.

Схемы обмоток бывают петлевые или волновые, катушки могут быть соединены последовательно и параллельно. Простую петлевую обмотку имеют двухполюсные машины малой мощности (до 1 кВт) и машины мощностью свыше 500 кВт; простая волновая обмотка применяется для машин малой и средней мощности (до 500 кВт) при напряжении 110 В и выше.

Назначение якоря – создавать электромагнитный вращающий момент путем взаимодействия тока в обмотке якоря с магнитным полем полюсов, создаваемым током возбуждения.

Коллектор – полый цилиндр, состоящий из клинообразных медных пластин (в виде «ласточкина хвоста»), изолированных друг от друга и от корпуса. Пластины коллектора изолируются также от вала машины.

Коллектор в собранном виде насаживается на вал якоря. К пластинам коллектора припаивают начала и концы секции обмотки, размещенной в пазах якоря.

На коллекторе устанавливаются неподвижные электро-графи-товые щетки. Вращающаяся обмотка якоря соединяется с внешней цепью скользящим контактом между щетками и коллектором.

Щетки делят замкнутую обмотку якоря на параллельные ветви, число параллельных ветвей равно числу щеток, таким образом, ЭДС на щетках (ЭДС машины) равна ЭДС одной параллельной ветви.

Коллектор является электромеханическим преобразователем и обеспечивает создание постоянного по направлению вращающего момента (для двигателей) путем изменения направления тока в проводниках якорной обмотки, перемещающихся из зоны одного полюса в зону другого.

В генераторах коллектор обеспечивает выпрямление переменной ЭДС, индуктируемой во вращающейся обмотке якоря.

Обозначение ДПТ на электрических схемах и принцип его действия показаны рис. 97 а, б.

Напряжение от источника постоянного тока подается на зажимы неподвижного якоря. Пусть направление тока в якоре I_Я будет таким, как показано на рис. 97, б.

В обмотку возбуждения, находящуюся на полюсах индуктора также подается постоянный ток, который создает магнитное поле, пронизывающее якорь. Если полюса индуктора выполнены из магнитотвердого материала, то обмотки возбуждения на них может и не быть, магнитное поле все равно будет создаваться противоположно намагниченными полюсами (N и S).

За счет взаимодействия магнитного поля полюсов и тока якоря образуются электромагнитные силы F_ЭМ, которые создают вращающий момент

,

где С_М – коэффициент пропорциональности; Ф – поток возбуждения ДПТ; I_Я – ток якоря ДПТ.

Во вращающемся в магнитном поле якоре ДПТ наводится ЭДС, которая противоположна направлению тока якоря, поэтому эта ЭДС называется обратной или противоЭДС

,

где C_E – коэффициент пропорциональности; Ф – поток возбуждения ДПТ; n – частота вращения ДПТ.

Основное уравнение двигателя

U_c = E + I_Я R_Я,

где U_с – напряжение сети; I_Я – ток якоря; R_Я – сопротивление обмотки якоря.

Откуда величина тока якоря

.

Подставив в это выражение значение Е, получим частоту вращения двигателя постоянного тока:

.

Из этого выражения видно, что частота вращения ДПТ зависит от величины подводимого напряжения, тока возбуждения (потока Ф  I_в), сопротивления якорной цепи R_Я и нагрузки на валу I_Я.