Схема обмоток коллекторного двигателя переменного тока

Схема обмоток коллекторного двигателя переменного тока

7-1. Общие замечания

Коллекторные машины переменного тока обычно применяются как двигатели, т. е. для преобразования энергии однофазного или трехфазного тока в механическую энергию. Соответственно различают однофазные и трехфазные коллекторные двигатели переменного тока. Ротор их выполняется так же, как якорь машины постоянного тока, — с петлевой или волновой обмоткой, соединенной с коллектором. B статоре рассматриваемых машин имеет место переменное магнитное поле, поэтому он собирается из тонких листов электротехнической стали в отличие от статора машин постоянного тока, ярмо которого обычно выполняется из литой или прокатанной стали.

Коллекторные машины переменного тока, за исключением однофазных двигателей малой мощности, получили незначительное распространение Они применяются лишь в специальных установках. К недостаткам, препятствующим их широкому распространению, нужно отнести: сложность изготовления и относительно высокую стоимость, необходимость тщательного ухода за коллектором и щетками, меньшую надежность в работе (из-за ухудшенных условий коммутации). Однако в ряде случаев они позволяют решать некоторые задачи, связанные с работой электропривода, более совершенным образом, чем бесколлекторные асинхронные двигатели. По сравнению с последними их преимущества заключаются в том, что они позволяют экономично и плавно регулировать скорость вращения и могут работать с лучшим cos .

7-2. Однофазные двигатели

Здесь рассмотрим однофазные коллекторные двигатели с последовательным возбуждением. Схема одного из таких двигателей приведена на рис. 7-1, где обозначают: В — обмотку возбуждения, помещенную на главных полюсах; К — компенсационную обмотку, помещенную в пазах статора и предназначенную для компенсации реакции якоря (ротора); Я — якорь (ротор) с наложенными на коллектор щетками; Д — обмотку дополнительных полюсов, зашунтированную активным сопротивлением R.

Рис. 7-1. Схема однофазного двигателя последовательного возбуждения.

Вращающий момент в двигателе получается в результате взаимодействия поля, созданного обмоткой возбуждения, и токов в обмотке ротора. Этот момент и при переменном токе все время направлен в одну сторону, так как одновременно с изменением направления магнитного поля изменяется направление тока в обмотке ротора. Изменение направления вращения ротора осуществляется так же, как для двигателя постоянного тока, например путем переключения концов обмотки возбуждения.

Приведенная на рис. 7-1 схема не отличается в основном от схемы двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Однако для последнего компенсационную обмотку применяют очень редко, только при очень больших мощностях, тогда как для однофазных двигателей ее применяют, начиная с 10—15 кВт и выше. Она компенсирует реакцию ротора (якоря), уменьшает потокосцепление обмотки ротора и, следовательно, ее индуктивное сопротивление, что необходимо для улучшения cos  двигателя.

Дополнительные полюсы, так же как в машинах постоянного тока, служат для улучшения коммутации. Условия коммутации в однофазном двигателе получаются более тяжелыми, чем в машинах постоянного тока. В этом его существенный недостаток. Ухудшение коммутации здесь вызывается возникновением в коммутируемой секции (секции, замкнутой щеткой) трансформаторной э.д.с., кроме реактивной э.д.с. и э.д.с. вращения (от внешнего поля в коммутационной зоне). Трансформаторная э.д.с. возникает вследствие пульсаций потока главных полюсов, с осью которого совпадает ось коммутируемой секции. Эта секция является как бы замкнутой вторичной обмоткой трансформатора, первичной, обмоткой которого служит обмотка возбуждения. Для компенсации трансформаторной и реактивной э.д.с. при помощи э.д.с. вращения нужно в коммутационной зоне создать поле, сдвинутое по фазе относительно тока ротора, что достигается шунтированием обмотки дополнительных полюсов активным сопротивлением (рис. 7-1). Однако взаимной компенсации э.д.с. в коммутируемой секции можно добиться только при определенных значениях тока ротора и его скорости вращения. При других режимах работы двигателя условия коммутации ухудшаются и становятся особенно тяжелыми при пуске в ход, так как в этом случае трансформаторная э.д.с. не компенсируется (э.д.с. вращения равна нулю). Большие работы по исследованию коммутации в коллекторных двигателях переменного тока были выполнены акад. К. И. Шенфером еще в 1911—1914 гг. Они способствовали усовершенствованию этих двигателей.

Трансформаторная э.д.с. Eт, наведенная в коммутируемой секции, определяется так же, как э.д.с. вторичной обмотки трансформатора:

, (7-1)

где wc— число витков секции якорной обмотки; f — частота тока; Ф — амплитуда потока главных полюсов.

Для уменьшения Eт т приходится идти на уменьшение потока Ф, что при данной мощности достигается увеличением числа полюсов

Кроме того, для больших двигателей число витков в секции берется равным единице (wc = 1). Все это приводит к увеличению числа коллекторных пластин и, следовательно, размеров коллектора. Для уменьшения Eт уменьшают также частоту питающего переменного тока. Скорость вращения однофазных двигателей последовательного возбуждения может регулироваться, например, при помощи трансформатора Т, имеющего ответвления со вторичной стороны (рис. 7-1). Трансформатор служит в то же время для понижения напряжения, подведенного к двигателю, так как последний должен работать при относительно небольшом напряжении на щетках коллектора.

Широкое распространение получили однофазные двигатели последовательного возбуждения малой мощности (до 100—150 Вт). Они не имеют ни дополнительных полюсов, ни компенсационной обмотки, так как при малой мощности условия коммутации и при 50 Гц получаются вполне удовлетворительными, a cos  здесь не играет существенной роли. На рис. 7-2 приведена схема одного из таких двигателей. Они могут работать от переменного и постоянного тока, поэтому называются универсальными. При мощности свыше 60—80 Вт иногда делается ответвление от обмотки возбуждения (показано пунктиром на рис. 7-2), позволяющее при работе от переменного тока иметь обмотку возбуждения с меньшим числом витков, что дает ту же скорость вращения, как и при постоянном токе, и повышает использование двигателя. Универсальные двигатели применяются для самых различных целей: для электроинструмента, швейных машин, бормашин, для небольших вентиляторов, пылесосов, как исполнительные двигатели в схемах автоматики и т. д.

Рис. 7-2. Схема универсального двигателя.

7-3. Трехфазные двигатели

Трехфазные коллекторные двигатели являются коллекторными асинхронными машинами. Они работают при наличии в них вращающегося магнитного поля со скоростью, отличающейся в общем случае от скорости поля. На их роторе помещается обмотка, выполненная так же, как обмотка якоря машины постоянного тока. Из трехфазных коллекторных двигателей на практике получил распространение главным образом двигатель с параллельным возбуждением, получающий питание со стороны ротора. Схема такого двигателя приведена на рис. 7-3. Здесь обозначают: 1 — трехфазную обмотку ротора (главную), соединенную через контактные кольца и щетки с питающей сетью трехфазного тока; 2 — обмотку статора, каждая фаза которой соединена со щетками на коллекторе; 3 — коллекторную обмотку, которая закладывается в те же пазы ротора, что и главная его обмотка. Щетки каждой фазы статора могут сдвигаться или раздвигаться, что осуществляется при помощи подвижных траверс, к которым они прикреплены На рис. 7-4 правые щетки прикреплены к одной траверсе, левые— к другой. Обе траверсы можно поворачивать во взаимно противоположных направлениях Для этого применяются различные устройства Одно из них схематически показано на рис. 7-5. Если щетки каждой фазы поставить на одни и те же коллекторные пластины (рис. 7-4), то двигатель будет работать как асинхронный двигатель. От обычного асинхронного двигателя в этом случае он будет отличаться тем, что первичной его обмоткой будет служить обмотка ротора, а вторичной — обмотка статора Применяя правило правой руки и учитывая относительное перемещение проводников статора и вращающегося поля, найдем направление тока, наведенного в проводниках статора. По правилу левой руки определяется направление электромагнитной силы, действующей на статор. Сила, действующая на ротор, имеет обратное направление. Отсюда найдем, что ротор будет вращаться против направления вращения поля. Скорость поля относительно ротора есть синхронная скорость. Скорость поля относительно статора есть скорость скольжения. Она равна разности скоростей поля относительно ротора и самого ротора.

Рис. 7-3. Схема трехфазного коллекторного двигателя параллельного возбуждения с питанием со стороны ротора.

Рис. 7-4. Трехфазный коллекторный двигатель (см. рис. 7-3).

Рис. 7-5. Устройство для поворота щеток во взаимно противоположных направлениях. К—малые зубчатые колеса; Т—большие зубчатые колеса, прикрепляемые к траверсам; М—маховичок.

При раздвижении щеток на них получается э.д.с., имеющая такую же частоту, как и э.д.с. в обмотке статора, т. е. частоту скольжения. В этом можно убедиться, учитывая то, что поле относительно части обмотки, заключенной между щетками (как бы фиксирующими в пространстве эту часть обмотки), имеет такую же скорость, как и относительно обмотки статора. При указанном на рис. 7-3 соединении щеток с обмоткой статора э.д.с. на щетках — добавочная э.д.с. Eдоб — вводится во вторичную цепь двигателя ,Она вместе с э.д.с. статора sE2 вызывает ток, взаимодействие которого с полем определяет вращающий момент двигателя. Здесь Е2— э.д.с. фазы статора при неподвижном роторе, s — скольжение двигателя. Если щетки раздвинуть так, чтобы Eдоб была направлена против sE2, то скольжение будет увеличиваться. Режим работы устанавливается при некотором скольжении, когда результирующая э. д. с. (sE2Eдоб) вызывает ток, достаточный для создания момента, равного тормозящему моменту на валу двигателя. При увеличении Eдоб (при большом раздвижении щеток) скорость вращения будет уменьшаться вниз от синхронной.

При регулировании скорости вращения обычного асинхронного двигателя путем введения в его вторичную цепь реостата получается непроизводительная затрата мощности в реостате. В рассматриваемом двигателе соответствующая мощность поступает в коллекторную обмотку, так как сдвиг по фазе между током во вторичной цепи и э.д.с. Eдоб больше 90°. Мощность, полученная от статора коллекторной обмоткой возвращается в сеть через трансформаторную связь коллекторной обмотки с главной обмоткой ротора. Этим и обусловлена экономичность регулирования скорости вращения трехфазного коллекторного двигателя путем введения в его вторичную цепь добавочной э.д.с.

При положении щеток, показанном на рис. 7-4, скорость вращения ротора близка к синхронной. Если щетки раздвинуть так, чтобы Eдоб была направлена в ту же сторону, что и sE2 при положительном скольжении, то скорость вращения будет увеличиваться вверх от синхронной. В этом случае двигатель будет работать с отрицательным скольжением, при котором э.д.с. sE2 изменит свое направление. Она будет направлена против Eдоб, но будет меньше последней.

Таким образом, раздвигая щетки в ту или другую стороны, можно регулировать скорость вращения двигателя вниз или вверх от синхронной.

Двигатель позволяет также регулировать его cos . Для этою нужно изменять по фазе э.д.с. Eдоб, что осуществляется путем смещения щеток каждой фазы, например, для улучшения cos  при скорости ниже синхронной щетки нужно сместить в сторону, обратную направлению вращения, ротора (показано пунктиром на рис. 7-3).

Читайте также:  Папоротник в россии виды

Рассматриваемый трехфазный коллекторный двигатель применяется в текстильной промышленности (для кольцевых прядильных станков), в полиграфической промышленности (для ротационных машин), иногда для металлорежущих станков.

В этом двигателе, так же как и в других коллекторных двигателях переменного тока, условия коммутации получаются более тяжелыми, чем в машинах постоянного тока. Здесь они также определяются значением трансформаторной э.д.с. Ет, индуктированной в коммутируемой секции вращающимся полем. Она может быть рассчитана по формуле (7-1). Опыт показал, что удовлетворительные условия коммутации могут быть получены, если Eт Соседние файлы в папке Электронный учебник по электрическим машинам

    #

Колле́кторный электродви́гатель — электрическая машина, в которой датчиком положения ротора и переключателем тока в обмотках является одно и то же устройство — щёточно-коллекторный узел.

Содержание

Разновидности [ править | править код ]

Коллекторный электродвигатель постоянного тока [ править | править код ]

Самые маленькие двигатели данного типа (единицы Ватт) содержат в корпусе:

  • трёхполюсной ротор на подшипниках скольжения;
  • коллекторный узел из 2-х щёток, контактируемые с 3-мя медными пластинами;
  • двухполюсной статор из постоянных магнитов.

Применяются, в основном, в детских игрушках, плейерах, фенах, электробритвах, аккумуляторных отвёртках и т.п. (рабочее напряжение 3-9 вольт).

Более мощные двигатели (десятки Ватт), как правило, имеют:

  • многополюсный ротор на подшипниках качения;
  • коллекторный узел из четырёх графитовых щёток;
  • четырёхполюсный статор из постоянных магнитов.

Именно такой конструкции большинство электродвигателей в современных автомобилях (рабочее напряжение 12 или 24 Вольт): привод вентиляторов систем охлаждения и вентиляции, «дворников», насосов омывателей.

Способы возбуждения коллекторных двигателей [ править | править код ]

Двигатели мощностью в сотни Ватт, в отличие от предыдущих, содержат четырёхполюсный статор из электромагнитов. Свойства электродвигателей во многом объясняется способом, которым обмотки статора могут подключаться относительно якоря:

  • последовательно с якорем (так называемое последовательное возбуждение);
  • параллельно с якорем (параллельное возбуждение);
  • отдельным источником питания (независимое возбуждение);
  • часть обмоток параллельно с якорем, часть последовательно (смешанное возбуждение).

Электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением [ править | править код ]

В этом электродвигателе обмотка якоря подключена к основному источнику постоянного тока (сети постоянного тока, генератору или выпрямителю), а обмотка возбуждения — к вспомогательному источнику. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат, а в цепь обмотки якоря — пусковой реостат. Регулировочный реостат служит для регулирования частоты вращения якоря двигателя, а пусковой — для ограничения тока в обмотке якоря при пуске. Характерной особенностью электродвигателя является то, что его ток возбуждения не зависит от тока в обмотке якоря (тока нагрузки). Поэтому можно приближенно считать, что и магнитный поток двигателя не зависит от нагрузки. Зависимости момента и частоты вращения от тока будут линейными: момент прямо пропорционален току нагрузки и линейно снижается с ростом частоты вращения. В цепь обмотки возбуждения никаких выключателей и предохранителей не устанавливают, так как при разрыве этой цепи резко уменьшается магнитный поток электродвигателя, и возникает аварийный режим. Если электродвигатель работает при холостом ходе или небольшой нагрузке на валу, то частота вращения резко возрастает (двигатель идет вразнос). При этом сильно увеличивается ток в обмотке якоря и может возникнуть круговой огонь. Во избежание этого защита должна отключить электродвигатель от источника питания. Резкое увеличение частоты вращения при обрыве цепи обмотки возбуждения объясняется тем, что в этом случае резко уменьшаются магнитный поток, э. д. с., и возрастает ток. А так как приложенное напряжение остается неизменным, то частота вращения будет увеличиваться до тех пор, пока э. д. с. не достигнет значения, приблизительно равного напряжению питания, что необходимо для равновесного состояния электрической цепи якоря. При нагрузке на валу, близкой к номинальной, электродвигатель в случае разрыва цепи возбуждения остановится, так как электромагнитный момент, который может развить двигатель при значительном уменьшении магнитного потока, уменьшается и станет меньше нагрузочного момента на валу. В этом случае так же резко увеличивается ток, обмотка может выйти из строя из-за перегрева.

Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением [ править | править код ]

Здесь обмотки возбуждения и якоря питаются от одного и того же источника электрической энергии с напряжением. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат, а в цепь обмотки якоря — пусковой реостат. В рассматриваемом электродвигателе имеет место, по существу, раздельное питание цепей обмоток якоря и возбуждения, вследствие чего ток возбуждения не зависит от тока обмотки якоря. Поэтому электродвигатель с параллельным возбуждением будет иметь такие же характеристики, как и двигатель с независимым возбуждением. Однако двигатель с параллельным возбуждением работает нормально только при питании от источника постоянного тока с неизменным напряжением.

Электродвигатель постоянного тока с последовательным возбуждением [ править | править код ]

Обмотка возбуждения включена последовательно с якорем. Для ограничения тока при пуске в цепь обмотки якоря может быть включен пусковой реостат, а для регулирования частоты вращения параллельно обмотке возбуждения может быть включен регулировочный реостат. Характерной особеностью этого электродвигателя является то, что его ток возбуждения равен или пропорционален (при включении реостата) току обмотки якоря, поэтому магнитный поток зависит от нагрузки двигателя. При токе обмотки якоря, меньшем 0,8—0,9 номинального тока, магнитная система машины не насыщена, и можно считать, что магнитный поток изменяется прямо пропорционально току. Поэтому скоростная характеристика электродвигателя будет мягкая — с увеличением тока частота вращения будет резко уменьшаться. Уменьшение частоты вращения, происходит из-за увеличения падения напряжения во внутреннем сопротивлении цепи обмотки якоря, а также из-за увеличения магнитного потока. Электромагнитный момент при увеличении тока будет резко возрастать, так как в этом случае увеличивается и магнитный поток, поэтому при токе, меньшем 0,8-0,9 номинального, скоростная характеристика имеет форму гиперболы, а моментная — параболы.

Если ток больше номинального, зависимости момента и скорости вращения от тока линейны, так как в этом режиме магнитная цепь будет насыщена и магнитный поток при изменении тока меняться не будет.

Механическая характеристика рассматриваемого двигателя мягкая и имеет гиперболический характер. При малых нагрузках магнитный поток сильно уменьшается, частота вращения резко возрастает и может превысить максимально допустимое значение (двигатель идет вразнос). Поэтому такие двигатели нельзя применять для привода механизмов, работающих в режиме холостого хода и при небольшой нагрузке (различные станки, транспортеры и пр.).

Обычно минимально допустимая нагрузка для двигателей большой и средней мощности составляет 0,2 …. 0,25 номинальной. Чтобы предотвратить возможность работы двигателя без нагрузки, его соединяют с приводным механизмом жестко (зубчатой передачей или глухой муфтой), применение ременной передачи или фрикционной муфты недопустимо, т.к. при обрыве ремня двигатель может выйти из строя.

Несмотря на указанный недостаток, двигатели с последовательным возбуждением широко применяют, особенно там, где имеют место изменения нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска: во всех тяговых приводах (электровозы, тепловозы, электропоезда, электрокары, электропогрузчики и пр.), а также в приводах грузоподъемных механизмов (краны, лифты и пр.).

Объясняется это тем, что при мягкой характеристике увеличение нагрузочного момента приводит к меньшему возрастанию тока и потребляемой мощности, чем у двигателей с независимым и параллельным возбуждением, поэтому двигатели с последовательным возбуждением лучше переносят перегрузки. Кроме того, эти двигатели имеют больший пусковой момент, чем двигатели с параллельным и независимым возбуждением, так как при увеличении тока обмотки якоря при пуске соответственно увеличивается и магнитный поток.

Электродвигатель постоянного тока со смешанным возбуждением [ править | править код ]

В этом электродвигателе магнитный поток создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения — параллельной (или независимой) и последовательной.

Механическая характеристика электродвигателя со смешанным возбуждением располагается между характеристиками двигателей с параллельным и последовательным возбуждением. Достоинством двигателя постоянного тока со смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе. В этом режиме частота вращения его якоря определяется магнитным потоком параллельной обмотки и имеет ограниченное значение (двигатель не идет вразнос) [1] .

Общие достоинства коллекторных двигателей постоянного тока — простота изготовления, эксплуатации и ремонта, достаточно большой ресурс.

К недостаткам можно отнести то, что эффективные конструкции (с большим КПД и малой массой) таких двигателей являются низкомоментыми и быстроходными (сотни и тысячи оборотов в минуту), поэтому для большинства приводов (кроме вентиляторов и насосов) необходимы редукторы. Это утверждение не вполне верно, но обоснованно. Электрическая машина, построенная на низкую скорость, вообще имеет заниженный КПД и связанные с ним проблемы охлаждения. Скорее всего проблема такова, что изящных решений для неё нет.

Универсальный коллекторный электродвигатель [ править | править код ]

Универсальный коллекторный электродвигатель (УКД) — разновидность коллекторной машины постоянного тока, которая может работать и на постоянном, и на переменном токе [2] . Получил большое распространение в ручном электроинструменте и в некоторых видах бытовой техники из-за малых размеров, малого веса, лёгкости регулирования оборотов, относительно низкой цены. Широко использовался на железных дорогах Европы и США как тяговый электродвигатель.

Особенности конструкции [ править | править код ]

Строго говоря, универсальный коллекторный электродвигатель является коллекторным электродвигателем постоянного тока с последовательно включенными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону. На самом деле там есть небольшой фазовый сдвиг, обуславливающий появление противонаправленного момента, но он невелик, симметрирование обмоток не только улучшает условия коммутации, но и уменьшает этот момент. (М. П. Костенко, «Электрические машины»). Для нужд железных дорог строились специальные подстанции переменного тока низкой частоты — 16 Гц в Европе, в США же частота 25 Гц была одной из стандартных (наряду с 60 Гц) до 50-х годов XX века. В 50-х годах XX века германо-французскому консорциуму производителей электрических машин удалось построить однофазную тяговую машину промышленной частоты (50 Гц). По данным М. П. Костенко «Электрические машины», электровоз с однофазными коллекторными машинами на 50 Гц испытывался в СССР, где получил восторженно-отрицательную оценку специалистов. [ источник не указан 2675 дней ] .

Для возможности работы на переменном токе применяется статор из магнитно-мягкого материала, имеющего малый гистерезис (сопротивление перемагничиванию). Для уменьшения потерь на вихревые токи статор выполняют наборным из изолированных пластин. Подмножеством коллекторных машин переменного тока (КМПТ) являются машины «пульсирующего тока», полученного путём выпрямления тока однофазной цепи без сглаживания пульсаций (железная дорога).

Читайте также:  Реле напряжения ресанта азм 40а отзывы

Особенностью (в большинстве случаев — достоинством) работы такого двигателя именно на переменном токе (а не на постоянном такого же напряжения) является то, что в режиме малых оборотов (пуск и перегрузка) индуктивное сопротивление обмоток статора ограничивает потребляемый ток и соответственно максимальный момент двигателя (оценочно) до 3-5 от номинального (против 5-10 при питании того же двигателя постоянным током). Для сближения механических характеристик у двигателей общего назначения может применяться секционирование обмоток статора — отдельные выводы (и меньшее число витков обмотки статора) для подключения переменного тока.

Сложной проблемой является вопрос коммутации мощной коллекторной машины переменного тока. В момент коммутации (прохождение секцией нейтрали) сцепленное с секцией якоря (ротора) магнитное поле меняет своё направление на противоположное, что вызывает генерацию в секции так называемой реактивной ЭДС. Так обстоит дело в случае с постоянным током. В КМПТ реактивная ЭДС также имеет место. Но так как якорь (ротор) находится в пульсирующем во времени магнитном поле статора, в коммутируемой секции дополнительно имеет место ещё и трансформаторная ЭДС. Её амплитуда будет максимальна в момент пуска машины, пропорционально снижаться по мере приближения к скорости синхронизма (в точке синхронизма она обратится в нуль) и далее по мере разгона машины вновь будет пропорционально возрастать. Проблема коммутации КМПТ может быть решена следующим образом:

  • Стремление при проектировании к одновитковой секции (уменьшение потока сцепления).
  • Увеличение активного сопротивления секции. Наиболее перспективными по данным М. П. Костенко являются резисторы в «петушках» коллекторых пластин, где они хорошо охлаждаются.
  • Активная подшлифовка коллектора щётками максимальной твёрдости (высокий износ) подгорающего коллектора из-за тяжелых условий коммутации; и максимально возможного сопротивления как средство гашения реактивной и трансформаторной ЭДС коммутируемой секции.
  • Использование добавочных полюсов с последовательными обмотками для компенсации реактивной ЭДС и параллельной — для компенсации трансформаторной ЭДС. Но так как величина трансформаторной ЭДС представляет собой функцию от угловой скорости (якоря) ротора и тока намагничивания машины, то такие обмотки нуждаются в системе подчинённого регулирования, не разработанной по сегодняшний день.
  • Применение питающих цепей низкой частоты. Популярные частоты 16 и 25 Гц.

Реверсирование УКД осуществляется переключением полярности включения обмоток только статора или только ротора.

Достоинства и недостатки [ править | править код ]

Сравнение приведено для случая подключения к бытовой однофазной электрической сети 220 вольт 50 Гц. и одинаковой мощности двигателей. Разница в механических характеристиках двигателей («мягкость-жёсткость», максимальный момент) может быть как достоинством, так и недостатком в зависимости от требований к приводу.

Сравнение с коллекторным двигателем постоянного тока [ править | править код ]
  • Прямое включение в сеть, без дополнительных компонентов (для двигателя постоянного тока требуется, как минимум, выпрямление).
  • Меньший пусковой (перегрузочный) ток (и момент), что предпочтительнее для бытовых устройств.
  • Проще управляющая схема (при её наличии) — тиристор (или симистор) и реостат. При выходе из строя электронного компонента двигатель (устройство) остаётся работоспособным, но включается сразу на полную мощность.
  • Меньший общий КПД из-за потерь на индуктивность и перемагничивание статора.
  • Меньший максимальный момент (может быть недостатком).
Сравнение с асинхронным двигателем [ править | править код ]
  • Быстроходность и отсутствие привязки к частоте сети.
  • Компактность (даже с учётом редуктора).
  • Больший пусковой момент.
  • Автоматическое пропорциональное снижение оборотов (практически до нуля) и увеличение момента при увеличении нагрузки (при неизменном напряжении питания) — «мягкая» характеристика.
  • Возможность плавного регулирования оборотов (момента) в очень широком диапазоне — от ноля до номинального значения — изменением питающего напряжения.
  • Нестабильность оборотов при изменении нагрузки (где это имеет значение).
  • Наличие щёточно-коллекторного узла и в связи с этим:
  • Относительно малая надёжность (срок службы: тяжёлые условия коммутации обуславливают использование максимально твердых щёток, что снижает ресурс).
  • Сильное искрение на коллекторе из-за коммутации переменного тока и связанные с этим радиопомехи.
  • Высокий уровень шума.
  • Относительно большое число деталей коллектора (и, соответственно, двигателя).

Следует отметить, что в современных бытовых устройствах ресурс электродвигателя (щёточно-коллекторного узла) сопоставим с ресурсом рабочих органов и механических передач.

Двигатели (УКД и асинхронный) одной и той же мощности, независимо от номинальной частоты асинхронного двигателя, имеют разную механическую характеристику:

  • УКД — «мягкая» характеристика: обороты практически обратно пропорциональны нагрузке на валу, от режима холостого хода до режима полного торможения. Номинальный момент выбирается примерно в 3-5 раз меньшим максимального. Обороты холостого хода ограничиваются только потерями в двигателе и могут разрушить мощный двигатель при включении его без нагрузки.
  • Асинхронный двигатель — «вентиляторная» характеристика — двигатель поддерживает близкую к номинальной частоту вращения, при значительном (десятки процентов) повышении нагрузки снижение оборотов невелико (единицы процентов). При значительном снижении оборотов (до точки критического момента) момент двигателя не только не растёт, а падает до нуля, что вызывает полную остановку. Обороты холостого хода постоянны и слегка превышают номинальные.
  • Однофазный асинхронный двигатель предлагает дополнительный «букет» проблем, связанных с запуском, так как в нормальных условиях пускового момента не развивает. Пульсирующее во времени магнитное поле однофазного статора математически разлагается на два противофазных поля, делающих невозможным пуск без различных ухищрений:
  • расщепление фазы
  • создающая искусственную фазу ёмкость
  • создающую искусственную фазу активное сопротивление

Вращающееся в противофазе поле теоретически снижает максимальный КПД однофазного асинхронного двигателя до 50-60 % из-за потерь в перенасыщенной магнитной системе и активных потерь в обмотках, которые нагружаются токами «противополя». Фактически, на одном валу «сидят» две электрические машины, одна из которых работает в двигательном режиме, а вторая — в режиме противовключения.

Механическая характеристика в первую очередь и обуславливает (разные) области применения данных типов двигателей.

Из-за малых оборотов, ограниченных частотой сети переменного тока, асинхронные двигатели той же мощности имеют значительно бо́льшие вес и размеры, чем УКД. Если асинхронный двигатель запитывается от преобразователя (инвертора) с высокой частотой, то вес и размеры обеих машин становятся соизмеримы. При этом остаётся жёсткость механической характеристики, добавляются потери на преобразование тока и, как следствие увеличения частоты, повышаются индуктивные и магнитные потери (снижается общий КПД).

Аналоги бесколлекторного узла [ править | править код ]

Ближайшим аналогом УКД по механической характеристике является бесколлекторный электродвигатель (вентильный электродвигатель, в котором электронным аналогом щёточно-коллекторного узла является инвертор с датчиком положения ротора (ДПР).

Электронным аналогом универсального коллекторного двигателя является система: выпрямитель (мост), синхронный электродвигатель с датчиком углового положения ротора (датчик угла) и инвертором (другими словами — вентильный электродвигатель с выпрямителем).

Однако из-за применения постоянных магнитов в роторе максимальный момент вентильного двигателя при тех же габаритах будет меньше.

Мне часто в последнее время друзья и соседи стали задавать вопрос: как проверить электродвигатель мультиметром? Вот я и решил написать небольшой обзор инструкцию для начинающих электриков.

Сразу замечу, что один мультиметр не позволяет выявить со 100% гарантией все возможные неисправности: мало его функций. Но порядка 90% дефектов им вполне можно найти.

Постарался сделать инструкцию универсальной для всех типов движков переменного тока. Эти же методики при вдумчивом подходе можно использовать в цепях постоянного напряжения.

Что следует знать о двигателе перед его проверкой: 2 важных момента

В рамках излагаемой темы достаточно представлять упрощенный принцип работы и особенности конструкции любого двигателя.

Принцип работы: какие электротехнические процессы необходимо хорошо представлять при ремонте

Любой движок состоит из стационарно закрепленного корпуса — статора и вращающегося в нем ротора, который еще называют якорь.

Его круговое движение создается за счет воздействия на него вращающегося магнитного поля статора, формируемого протеканием электрических токов по статорным обмоткам.

Когда обмотки исправны, то по ним текут номинальные расчетные токи, создающие магнитные потоки оптимальной величины.

Если сопротивление прводов или их изоляция нарушена, то создаются токи утечек, коротких замыканий и другие повреждения, влияющие на работу электродвигателя.

Между статором и ротором выполнен минимально возможный зазор. Его могут нарушить:

  • разбитые подшипники;
  • попавшие внутрь механические частицы;
  • неправильная сборка и другие причины.

Когда происходит задевание вращающихся частей о неподвижный корпус, то создается их разрушение и дополнительные механические нагрузки. Все это требует тщательного осмотра, анализа состояния внутренних частей до начала электрических проверок.

Довольно часто не квалифицированный разбор является дополнительной причиной поломок. Пользуйтесь специальным инструментом и съемниками, исключающими повреждения граней валов.

После разборки сразу во время осмотра проверяют люфты, свободный ход подшипников, их чистоту и смазку, правильность посадочных мест.

Кроме этого у коллекторного электродвигателя могут быть сильно изношены пластины или щетки.

Все это необходимо проверять до подачи рабочего напряжения.

Особенности конструкций, влияющие на технологию поиска дефектов

Обычно производитель электрические характеристики указывает на табличке, прикрепленной на корпусе. Этим сведениям стоит верить.

Однако часто во время ремонта или перемотки конструкция статора изменяется, а табличка остается прежняя. Этот вариант следует тоже учитывать.

Для бытовой сети 220 вольт могут использоваться двигатели:

  • коллекторные с щеточным механизмом;
  • асинхронные однофазные;
  • синхронные и асинхронные трехфазные.

В схемах 380 вольт работают трехфазные синхронные и асинхронные электродвигатели.

Все они отличаются по конструкции, но, в силу работы по общим законам электротехники, позволяют использовать одинаковые методики проверок, заключающиеся в замерах электрических характеристик косвенными и прямыми методами.

Как проверить обмотку электродвигателя на статоре: общие рекомендации

Трехфазный статор имеет три встроенные обмотки. Из него выходит шесть проводов. В отдельных конструкциях можно встретить 3 или 4 вывода, когда соединение треугольник или звезда собрано внутри корпуса. Но так делается редко.

Определить принадлежность выведенных концов обмоткам позволяет прозвонка их мультиметром в режиме омметра. Надо просто один щуп поставить на произвольный вывод, а другим — поочередно замерять активное сопротивление на всех остальных.

Пара проводов, на которой будет обнаружено сопротивление в Омах, будет относиться к одной обмотке. Их следует визуально отделить и пометить, например, цифрой 1. Аналогично поступают с другими проводами.

Здесь надо хорошо представлять, что по закону Ома ток в обмотке создается под действием приложенного напряжения, которому противодействует полное сопротивление, а не активное, замеряемое нами.

Учитываем, что обмотки наматываются из одного провода с одинаковым числом витков, создающих равное индуктивное сопротивление. Если провод в процессе работы будет закорочен или оборван, то его активная составляющая, как и полная величина, нарушится.

Межвитковое замыкание тоже сказывается на величине активной составляющей.

Читайте также:  Все про цветную капусту

Однофазный асинхронный двигатель: особенности статорных обмоток

Такие модели создаются с двумя обмотками: рабочей и пусковой, как, например, у стиральной машины. Активное сопротивление у рабочей цепочки в подавляющем большинстве случаев всегда меньше.

Поэтому когда из статора выведено всего три конца, то это означает, что между всеми ими надо измерять сопротивление. Результаты трех замеров покажут:

  • меньшая величина — рабочую обмотку;
  • средняя — пусковую;
  • большая — последовательное соединение первых двух.

Как найти начало и конец каждой обмотки

Метод позволяет всего лишь выявить общее направление навивки каждого провода. Но для практической работы электродвигателя этого более чем достаточно.

Статор рассматривается как обычный трансформатор, что в принципе и есть на самом деле: в нем протекают те же процессы.

Для работы потребуется небольшой источник постоянного напряжения (обычная батарейка) и чувствительный вольтметр. Лучше стрелочный. Он более наглядно отображает информацию. На цифровом мультиметре сложно отслеживать смену знака быстро меняющегося импульса.

К одной обмотке подключают вольтметр, а на другую кратковременно подают напряжение от батарейки и сразу его снимают. Оценивают отклонение стрелки.

Если при подаче «плюса» в первую обмотку во второй трансформировался электромагнитный импульс, отклонивший стрелку вправо, а при его отключении наблюдается движение ее влево, то делается вывод, что провода имеют одинаковое направление, когда «+» прибора и источника совпадают.

В противном случае надо переключить вольтметр или батарейку — то есть поменять концы одной из обмоток. Следующая третья цепочка проверяется аналогично.

А далее я просто взял свой рабочий асинхронный движок с мультиметром и показываю на нем фотографиями методику его оценки.

Личный опыт: проверка статорных обмоток асинхронного электродвигателя

Для статьи я использовал свой новый карманный мультиметр Mestek MT102. Заодно продолжаю выявлять недостатки его конструкции, которые уже показал в статье раньше.

Электрические проверки выполнялись на трехфазном двигателе, подключенном в однофазную сеть через конденсаторы по схеме звезды.

Общая оценка состояния изоляции обмоток

Поскольку на клеммных выводах все обмотки уже собраны вместе, то замеры начал с проверки сопротивления их изоляции относительно корпуса. Один щуп стоит на клеммнике сборки нуля, а второй — на гнезде винта крепления крышки. Мой Mestek показал отсутствие утечек.

Другого результата я и не ожидал. Этот способ замера состояния изоляции очень неточный и большинство повреждений он выявить просто не сможет: питания батареек 3 вольта явно недостаточно.

Но все же лучше делать хоть так, чем полностью пренебрегать такой проверкой.

Для полноценного анализа диэлектрического слоя проводников необходимо использовать высокое напряжение, которое вырабатывают мегаомметры. Его величина обычно начинается от 500 вольт и выше. У домашнего мастера таких приборов нет.

Можно обойтись косвенным методом, используя бытовую сеть. Для этого на клеммы обмотки и корпуса подают напряжение 220 вольт через контрольную лампу накаливания мощностью порядка 75 ватт (токоограничивающее сопротивление, исключающее подачу потенциала фазы на замыкание) и последовательно включенный амперметр.

Ожидаемый ток утечки через нормальную изоляцию не превысит микроамперы или их доли, но рассчитывать надо на аварийный режим и начинать замеры на пределах ампер. Измерив ток и напряжение, вычисляют сопротивление изоляции.

Используя этот способ, учитывайте, что:

  • на корпус движка подается полноценная фаза: он должен располагаться на диэлектрическом основании, не иметь контактов с другими предметами;
  • даже временно собираемая схема требует надежной изоляции всех концов и проводов, прочного крепления всех зажимов;
  • колба лампы может разбиться: ее надо держать в защитном чехле.

Замер активного сопротивления обмоток

Здесь требуется разобрать схему подключения проводов и снять все перемычки. Перевожу мультиметр в режим омметра и определяю активное сопротивление каждой обмотки.

Прибор показал 80, 92 и 88 Ом. В принципе большой разницы нет, а отклонения на несколько Ом я объясняю тем, что крокодил не обеспечивает качественный электрический контакт. Создается разное переходное сопротивление.

Это один из недостатков этого мультиметра. Щуп плохо входит в паз крокодила, да к тому же тонкий металл зажима раздвигается. Мне сразу пришлось его поджимать пассатижами.

Замер сопротивления изоляции между обмотками

Показываю этот принцип потому, что его надо выполнять между каждыми обмотками. Однако вместо омметра нужен мегаомметр или проверяйте, в крайнем случае, бытовым напряжением по описанной мной выше методике.

Мультиметр же может ввести в заблуждение: покажет хорошую изоляцию там, где будут созданы скрытые дефекты.

Как проверить якорь электродвигателя: 4 типа разных конструкций

Роторные обмотки создают магнитное поле, на которое воздействует поле статора. Они тоже должны быть исправны. Иначе энергия вращающегося магнитного поля будет расходоваться впустую.

Обмотки якоря имеют разные конструкции у двигателей с фазным ротором, асинхронным и коллекторным. Это стоит учитывать.

Синхронные модели с фазным ротором

На якоре создаются выводы проводов в виде металлических колец, расположенных с одной стороны вала около подшипника качения.

Провода схемы уже собраны до этих колец, что наносит небольшие особенности на их проверку мультиметром. Отключать их не стоит, однако методика, описанная выше для статора, в принципе подходит и для этой конструкции.

Такой ротор тоже можно условно представить как работающий трансформатор. Требуется только сравнить индивидуальные сопротивления их цепочек и качество изоляции между ними, а также корпусом.

Якорь асинхронного электродвигателя

В большинстве случаев ситуация здесь намного проще, хотя могут быть и проблемы. Дело в том, что такой ротор выполнен формой «беличье колесо» и его сложно повредить: довольно надежная конструкция.

Короткозамкнутые обмотки выполнены из толстых стержней алюминия (редко меди) и прочно запрессованы в таких же втулках. Все это рассчитано на протекание токов коротких замыканий.

Однако на практике происходят различные повреждения даже в надежных устройствах, а их как-то требуется отыскивать и устранять.

Цифровой мультиметр для выявления неисправностей в обмотке «беличье колесо» не потребуется. Здесь нужно иное оборудование, подающее напряжение на короткое замыкание этого якоря и контролирующее магнитное поле вокруг него.

Однако внутренние поломки таких конструкций обычно сопровождаются трещинами на корпусе, а их можно заметить при внимательном внутреннем осмотре.

Кому интересна такая проверка электрическими методами, смотрите видеоролик владельца Viktor Yungblyudt. Он подробно показывает, как определить обрыв стержней подобного ротора, что позволяет в дальнейшем восстановить работоспособность всей конструкции.

Коллекторные электродвигатели: 3 метода анализа обмотки

Принципиальная электрическая схема коллекторного двигателя в упрощенной форме может быть представлена обмотками ротора и статора, подключенными через щеточный механизм.

Схема собранного электродвигателя с коллекторным механизмом и щетками показана на следующей картинке.

Обмотка ротора состоит из частей, последовательно подключенных между собой определенным числом витков на коллекторных пластинах. Они все одной конструкции и поэтому имеют равное активное сопротивление.

Это позволяет проверять их исправность мультиметром в режиме омметра тремя разными методиками.

Самый простой метод измерения

Принцип №1 определения сопротивления между коллекторными пластинами я показываю на фото ниже.

Здесь я допустил одно упрощение, которое в реальной проверке нельзя совершать: поленился извлекать щетки из щеткодежателя, а они создают дополнительные цепочки, способные исказить информацию. Всегда вынимайте их для точного измерения.

Щупы ставятся на соседние ламели. Такое измерение требует точности и усидчивости. На коллекторе необходимо нанести метку краской или фломастером. От нее придется двигаться по кругу, совершая последовательные замеры между всеми очередными пластинами.

Постоянно контролируйте показания прибора. Они все должны быть одинаковыми. Однако сопротивление таких участков маленькое и если омметр недостаточно точно на него реагирует, то можно его очувствить увеличением длины измеряемой цепочки.

Способ №2: диаметральный замер

При этом втором методе потребуется еще большая внимательность и сосредоточенность. Щупы омметра необходимо располагать не на соседние ближайшие пластины, а на диаметрально противоположные.

Другими словами, щупы мультиметра должны попадать на те пластины, которые при работе электродвигателя подключаются щетками. А для этого их потребуется как-то помечать, дабы не запутаться.

Однако даже в этом случае могут встретиться сложности, связанные с точностью замера. Тогда придется использовать третий способ.

Способ №3: косвенный метод сравнения величин маленьких сопротивлений

Для измерения нам потребуется собрать схему, в которую входит:

  • аккумулятор на 12 вольт;
  • мощное сопротивление порядка 20 Ом;
  • мультиметр с концами и соединительные провода.

Следует представлять, что точность измерения увеличивает стабильность созданного источника тока за счет:

  • высокой емкости аккумулятора, обеспечивающей одинаковый уровень напряжения во время работы;
  • повышенная мощность резистора, исключающая его нагрев и отклонение параметров при токах до одного ампера;
  • короткие и толстые соединительные провода.

Один соединительный провод подключают напрямую к клемме аккумулятора и ламели коллектора, а во второй врезают токоограничивающий резистор, исключающий большие токи. Параллельно контактным пластинам садится вольтметр.

Щупами последовательно перебираются очередные пары ламелей на коллекторе и снимаются отсчеты вольтметром.

Поскольку аккумулятором и резистором на короткое время каждого замера мы выдаем одинаковое напряжение, то показания вольтметра будут зависеть только от величины сопротивления цепочки, подключенной к его выводам.

Поэтому при равных показаниях можно делать вывод об отсутствии дефектов в электрической схеме.

При желании можно измерить миллиамперметром величину тока через ламели и по закону Ома, воспользовавшись онлайн калькулятором, посчитать величину активного сопротивления.

Мой цифровой Mestek MT102, несмотря на выявленные в нем недостатки, нормально справляется с этой задачей.

Двигатели постоянного тока

Конструкция их ротора напоминает устройство якоря коллекторного двигателя, а статорные обмотки создаются для работы со схемой включения при параллельном, последовательном или смешанном возбуждении.

Раскрытые выше методики проверок статора и якоря позволяют проверять двигатель постоянного тока, как асинхронный и коллекторный.

Заключительный этап: особенности проверок двигателей под нагрузкой

Нельзя делать заключение об исправности электродвигателя, полагаясь только на показания мультиметра. Необходимо проверить рабочие характеристики под нагрузкой привода, когда ему необходимо совершать номинальную работу, расходуя приложенную мощность.

Например, владелец очень короткого видео ЧАО Дунайсудоремонт считает, что замерив ток в обмотках, он убедился в готовности отремонтированного движка к дальнейшей эксплуатации.

Однако такое заключение можно дать только после выполнения длительной работы и оценки не только величин токов, но и замера температур статора и ротора, анализа систем теплоотвода.

Не выявленные дефекты неправильной сборки или повреждения отдельных элементов могут повторно вызвать дополнительный ремонт с большими трудозатратами. Если же у вас еще остались вопросы по теме, как проверить электродвигатель мультиметром, то задавайте их в комментариях. Обязательно обсудим.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector