Принцип работы двигателя постоянного тока, характеристики электродвигателя, как устроен, основные отличия

Большая часть современных электрических приводов работает использует переменный ток и работает в асинхронном режиме. Хотя, нельзя сказать, что моторы постоянного тока востребованы меньше. Чтобы понять, чем отличается один от другого электродвигатель, как устроен каждый из них, нужно вспомнить, что входит в понятие «ток».

{ ArticleToC: enabled=yes }

Отличие тока переменного от постоянного

Прежде всего, вспомним, что включает понятие «электрический ток» и какие его виды существуют. Это сделать легко, потому что все учились в школе и еще помнят о том, что преподавали на уроке физика. Понимают под ним направленное движение ионов или электронов, то есть, заряженных частиц.

Направление и величина тока за определенный промежуток времени определяют, будет ли ток считаться переменным или постоянным, что наглядно отражает график, приведенный ниже:

Постоянным будет ток, который со временем не изменяет своего значения. Напряжение всегда стабильно. Это красная линия.

Зеленая линия, имеющая форму синусоиды, это ток переменный, который меняет как свое направление, так и величину. Периодичность прохождения одинаковых точек на горизонтальной оси ординат называют его частотой. Она для переменного тока считается стандартной и равняется 50 Гц.

В действительности, все инструменты и бытовые приборы (или, почти все) работают от постоянного тока, преобразованного из переменного (имеющегося в сети). Зачем же тогда нужен ток синусоидальный?

Вопрос вполне закономерный и объяснение ему следующее: подобная форма разрешает очень просто преобразовать поступающее от генератора электрической станции напряжение. Иными словами, от станции, напряжение которой 200000-300000 Вольт, до значения 220, привычного нам.

Принцип функционирования электрического двигателя

Работа электрического двигателя постоянного тока базируется на взаимодействии двух магнитных полей, создаваемых ротором и статором. Вновь вспоминаем школьные уроки физики и рамку, которая вращается в магнитном однородном поле, Подавая на нее ток, индуцируем собственное поле магнитное круговое, которое взаимодействует с первым, создавая силу Ампера, которая направлена перпендикулярно и выталкивает из этого однородного поля нашу рамку.

В двигателе наблюдается тоже: статор играет роль неподвижного однородного магнитного поля, а в качестве рамки выступает вращающийся ротор двигателя, называемый также якорем.

Это поле создается полюсами статора. На полюсах ротора имеются обмотки, состоящие из 2 частей и соединенные последовательно между собой. Их концы прикреплены к коллекторным пластинам, находящимся на валу двигателя электрического. Они, в свою очередь, контактируют с графитовыми щетками.

При условии, что расположены полюса, аналогично представленным на рисунке приведенном выше, полюс якоря будет северным. Также северным будет полюс статора, находящийся с ним в непосредственной близости.

Поскольку, равнозарядные полюса отталкиваются под воздействием магнитных сил (с электродвигателем возможно это за счет вращения), северный якорный полюс развернется на 180 градусов и займет положение напротив статорного южного. По логике, оба они должны притягиваться, вызывая торможение.

Чтобы избежать этого и добиться вновь «отталкивания» полюсов, якорные обмотки в момент перехода через нейтральную линию переключают при помощи коллектора. Устройство двигателя постоянного тока, на основании этой информации, изображается следующим образом:

Характеристики для двигателя электрического, работающего на постоянном токе

Электрический двигатель является оборудованием, управляют которым в зависимости от конкретных условий.

Для регулировки существует три метода:

• изменение напряжения, подаваемого на обмотки;
• введение в имеющуюся цепь сопротивления (дополнительного);
• варьирование величиной потока, т.е. возбуждением.

Оценить работу электродвигателя помогают графики характеристик, подразделяемые на:

• механические, демонстрирующие зависимость частоты или скорости вращения от имеющегося на валу мотора момента (с учетом поправочного коэффициента);
• регулировочные, показывающие как частота вращения зависит от напряжения, подаваемого на якорные обмотки, потока и сопротивления.

В первом случае по оси ординат откладывают частоту вращения, а по оси абсцисс –момент.

Выглядит график как прямая, имеющая отрицательный уклон.

График строят для конкретного напряжения по базовому уравнению:

Скорость, с которой вращается якорь, обозначается буквой ω . Напряжение в якорной цепи – U, коэффициент – K, поток – Ф, сопротивление обмотки якоря активное – RЯ, момент электромагнитный двигателя – M.

При построении графика регулировочной характеристики исходят из величины момента на валу (откладывают по оси х – абсцисс). Частота также откладывается по ординате.

Уравнения для каждой регулировки будет различным:

1. Регулировка напряжения:

2. Регулирование реостатном, т.е. изменяя сопротивление:

3. Потоковое изменение:

С графиками, отображающими сказанное, ознакомиться можно ниже:

О механических характеристиках помнить нужно следующее – они бывают снятыми в реальном режиме, т.е. являющимися естественными, и искусственными, вычисляемые по изменению потока, сопротивления или напряжения.

Режимы работы двигателей

Оценить режимы, в которых работает оборудование, возможно при помощи графиков характеристик, которые необходимо расширить до 4 квадрантов, пронумеровав их. Нумерация начинается с верхнего квадранта правого и продолжается против стрелки часов.

Видео: Двигатель постоянного тока принцип работы (часть 1)

В квадранте первом координаты на обеих осях положительны (+). В нем и третьем можно заметить двигательный режим, определить мощность которого легко по формуле Р = М> 0. В оставшихся втором и третьем квадранте заметен тормозной или генераторный режим, при котором мощность отрицательна.

На графике различить легко точки, а также зоны, соответствующие определенным режимам:

• В точке ω_о образуется холостой ход. Момент в ней и ток равняются нулю, т.е. двигателем энергия не получается;
• Подключение генератора параллельное. Реализуется, когда справедливы неравенства ω > ω_о и E > U. При этом от рабочего оборудования передается на мотор энергия, в сеть же передается электрическая (генератор тока);
• При коротком замыкании нулю равны E и, но механическая энергия не отдается вращающимся валом. В то же время, электрическая трансформируется в тепловую;
• При соединении последовательном генератора (также режим называют торможением с противовключением) как ЭДС, так и ток направлены одинаково, ω < 0. Электричество вырабатывается благодаря совмещенному с ротором валу вращающегося оборудования;
• Генератор автономный. Электричество вырабатывается без помощи сети, а только при помощи энергии вращающегося вала привода.

Параметры работы (технические и энергетические) двигателя постоянного тока дают возможность эффективного использования последних в различных сферах: от игрушек и легкой промышленности, до машиностроительной. Функционировать могут они в тормозном, т.е. режиме генератора, и двигательном, с учетом коэффициентов.

Видео: Двигатель постоянного тока принцип работы (часть 2)