Методы пуска двигателей постоянного тока

Методы пуска двигателей постоянного тока

Методы пуска двигателей постоянного тока, снижающие нагрузку на детали мотора в связи с завышенными значениями пускового тока. Особенности реализации прямого пуска, его достоинства и недостатки. Как осуществляется пуск трехфазных электромоторов методом плавного увеличения питающего напряжения.

Характерной особенностью электродвигателей постоянного тока (ЭПТ) является необходимость использования пусковых токов увеличенного номинала по сравнению с более распространёнными асинхронными электродвигателями, функционирующими на переменном токе. Это заставляет производителей тщательнее выбирать способ пуска двигателя постоянного тока, от которого будет зависеть функциональность электромотора, его надежность и долговечность.

На практике применяют несколько методов пуска, каждый из которых способен временно ограничить значение пускового тока, чтобы цепь обмотки якоря преждевременно не вышла из строя.

Рассмотрим перечисленные способы детальнее.

Классические варианты подключения

Большинство эл. моторов для современных электроприводах работают от переменной трехфазной линии (каждая из трех фаз подается отдельным проводником). Соответственно, клеммная коробка содержит выводы (входной и выходной) трех обмоток. Между собой и с сетью они могут соединяться по двух классическим схемам: «звезда» и «треугольник».

Схема подключения Звездой и Треугольником

Для первой характерной особенностью является замыкание концевых выводов каждой катушки в одну точку (на практике это одну нейтраль). На входные вывода между тем подается напряжение сети. Подобная схема характеризуется более мягким ходом, но к сожалению, не позволяет развить полную мощность.

Второй вариант с треугольником характеризуется последовательным соединением выводов обмоток: конец первой соединяется с началом второй и т. д. Такой вариант пуска гарантирует достижение паспортной мощности, но во время включения возможно возникновение больших по значению токов, которые могут термически повредить обмоточные выводы.

Если снять крышку клеммной коробки, то оба варианта подключения будут выглядеть следующим образом:

Принцип действия и использование

Это устройство представляет собой электромашину, которая преобразовывает электрическую энергию в механическую. Принцип работы двигателя постоянного тока заключается в том, что всякий раз, когда проводник, переносимый током, помещается в магнитное поле, он испытывает механическую силу.

Постоянный магнит преобразовывает электрическую энергию в механическую через взаимодействие двух магнитных полей. Одно поле создаётся сборкой постоянными магнитами, другое — электрическим током, протекающим в обмотках двигателя. Эти два поля приводят к крутящему моменту, который имеет тенденцию вращать ротор. Когда ротор вращается, ток в обмотках коммутируется, обеспечивая непрерывный выход крутящего момента.

Коммутатор состоит из проводящих сегментов (стержней) из меди, которые представляют собой завершение отдельных катушек проволоки, распределённых вокруг арматуры. Вторая половина механического выключателя комплектуется щётками. Эти щётки обычно остаются неподвижными с корпусом двигателя.

По мере прохождения электрической энергии через щётки и арматуру создаётся крутильная сила в виде реакции между полем двигателя и якорем, вызывающим поворот якоря двигателя. Когда арматура поворачивается, щётки переключаются на соседние полосы на коммутаторе. Это действие переносит электрическую энергию на соседнюю обмотку и якорь.

Движение магнитного поля достигается переключением тока между катушками внутри двигателя. Это действие называется коммутацией. Очень многие двигатели имеют встроенную коммутацию. Это означает, что при вращении двигателя механические щётки автоматически коммутируют катушки на роторе.

Настройка скорости

ДПТ можно легко регулировать. Скорость можно изменить с помощью следующих переменных:

1. Напряжение якоря U_A (управление напряжением).
2. Основной поток поля (полевое управление), сила магнитного поля.
3. Анкерное сопротивление.

Простейшим методом управления скоростью вращения является управление приводным напряжением. Чем выше напряжение, тем выше скорость, которую двигатель пытается достичь. Во многих приложениях простое регулирование напряжения может привести к большим потерям мощности в цепи управления, поэтому широко используется метод широтно-импульсной модуляции.

В основном способе с широтно-импульсной модуляцией рабочая мощность включается и выключается для модуляции тока. Отношение времени включения к «выключенному» времени определяет скорость двигателя.

Электродвигатель с внешним возбуждением легко контролировать, поскольку токи через обмотки якоря и статора можно контролировать отдельно. Поэтому такие двигатели имели определённое значение, особенно в области высоко динамичных приводных систем, например, для привода станков с точной регулировкой скорости и крутящего момента.

Современное применение

ДПТ используются в различных областях.

Он является важным элементом в различных продуктах:

1. игрушках;
2. сервомеханических устройствах;
3. приводах клапанов;
4. роботах;
5. автомобильной электронике.

Высококачественные предметы повседневного назначения (кухонные приборы) используют серводвигатель, известный как универсальный двигатель. Эти универсальные двигатели являются типичными ДПТ, в которых стационарные и вращающиеся катушки представляют собой последовательные провода.

Электродвигатели постоянного тока П

Генераторы и электродвигатели постоянного тока П серии охватывают диапазон мощностей от 0,13 до 200 кВт. Машины этой серии соответствуют ТУ 16.514.001-64.

Машины постоянного тока серии П имеют 11 габаритов. Габарит определяется внешним диаметром якоря.

• 11 габарит — П11, ПБ11 от 0,13 до 0,7 кВт
• 12 габарит — П12, ПБ12 от 0,2 до 1 кВт
• 21 габарит — П21, ПБ21 от 0,2 до 1,5 кВт
• 22 габарит — П22, ПБ22 от 0,3 до 2,2 кВт
• 31 габарит — П31, ПБ31 от 0,45 до 3,2 кВт
• 32 габарит — П32, ПБ32 от 0,7 до 4,5 кВт
• 41 габарит — П41, ПБ41 от 1 до 6 кВт
• 42 габарит — П42, ПБ42 от 1,5 до 7,5 кВт
• 51 габарит — П51, ПБ51 от 2,2 до 11 кВт
• 52 габарит — П52, ПБ52 от 3,2 до 14 кВт
• 61 габарит — П61, ПБ61 от 4,5 до 19 кВт
• 62 габарит — П62, ПБ62 от 5,5 до 25 кВт
• 71 габарит — П71, ПБ71от 7 до 32 кВт
• 72 габарит — П72, ПБ72 от 10 до 42 кВт
• 81 габарит — П81, ПБ81 от 14 до 32 кВт
• 82 габарит — П82, ПБ82 от 19 до 42 кВт
• 91 габарит — П91 от 19 до 55 кВт
• 92 габарит — П92 от 25 до 75 кВт
• 101 габарит — П101 от 32 до 100 кВт
• 102 габарит — П102 от 42 до 125 кВт
• 111 габарит — П111 от 55 до 160 кВт
• 112 габарит — П112 от 70 до 200 кВт

Электродвигатели постоянного тока П, Общие сведения

Генераторы и электродвигатели постоянного тока П применяются в различных отраслях промышленности. Выпуск машин серии П прекращен, поэтому в новых разработках машины этой серии не применяются.
Машины рассчитаны на продолжительный (S1) режим работы на высоте над уровнем моря до 1000 м при температуре окружающего воздуха от 5 до 40 °С и относительной влажности воздуха до 80% при температуре 25 °С и при более низких температурах без конденсации влаги.

Машины серии П изготавливались со степенями защиты от воздействия окружающей среды IP20 и IP54

Двигатели серии П имеют смешанное возбуждение или параллельное и независимое возбуждение при работе в системе генератор — двигатель.
Ток в цепи якоря при пуске ДПТ не должен превышать 4/ном для ДПТ 1 — 7-го габаритов и 3/ном для ДПТ 8 —11-го габаритов.
Электродвигатели допускают регулирование частоты вращения от номинальной путем изменения тока возбуждения при мощности на валу не выше номинальной.
Регулирование частоты вращения вниз от номинальной осуществляется изменением напряжения на якоре при неизменном токе в обмотке возбуждения. Напряжение на обмотке возбуждения при этом должно соответствовать номинальному напряжению якоря.

Охлаждение и вентиляция электродвигателей П.

Двигатели с независимой вентиляцией допускают регулирование частоты вращения вниз от номинальной (до 100 об/мин) изменением напряжения на якоре при моменте вращения не выше номинального.

Двигатели с самовентиляцией допускают регулирование частоты вращения вниз от номинальной (до 100 об/мин) изменением напряжения на якоре.

Электродвигатели П закрытого исполнения с естественным охлаждением 1 —7-го габаритов допускают регулирование частоты вращения вниз от номинальной (до 10 об/мин) изменением напряжения на якоре при моменте вращения, равном номинальному. Степень искрения на коллекторе машин при любой установившейся нагрузке от 0 до 100% номинальной не должна превышать 11/2 по ГОСТ 183-74.

Степень искрения при перегрузках и в переходных режимах ослабления поля не оговаривается, но коллектор и щетки после работы в этих режимах должны оставаться в состоянии, пригодном для дальнейшей работы без предварительной чистки коллектора. При этом допускаются следы подгара на краях коллекторных пластин и щеток.

Двигатели серии П изготавливались:

1 — 3-го габаритов — с изоляцией класса А (допускается В);

4 —6-го габаритов — с изоляцией класса В;

7-го габарита защищенного и закрытого исполнения — с изоляцией класса F; обмотки возбуждения — с изоляцией класса В;

8-11 -го габаритов — с изоляцией класса F.

Двигатели защищенного исполнения выполнялись: с самовентиляцией (1 —11-й габариты); с независимой вентиляцией с подводом воздуха по трубам (7—11-й габариты); с независимой вентиляцией от пристроенного вентилятора (4—11-й габариты).

Двигатели закрытого исполнения выпускались:

с естественным охлаждением (типа ПБ 1 — 8-го- габаритов);

с воздухоохладителем, пристроенным наверху двигателя (ПР 5 —7-го габаритов).

Генераторы постоянного тока серии П

Генераторы П выпускались в защищенном исполнении со стабильным и регулируемым напряжением. На стабильное напряжение 115, 230 и 460 В изготовлялись со смешанным возбуждением. По особому заказу генераторы выполнялись с параллельным или независимым возбуждением с напряжением обмотки независимого возбуждения НО, 220 или 460 В.

Генераторы с регулируемым напряжением для зарядки аккумуляторных батарей изготовлялись с параллельным возбуждением на напряжения 110/160 и 220/320 В.

Для машин устанавливались следующие показатели надежности и долговечности: наработка до технического осмотра — 2000 ч, полный ресурс — 8000 ч, вероятность безотказной работы за период 2000 ч — 0,7 при доверительной вероятности 0,9.

Где применяются бесколлекторные двигатели

К настоящему времени бесколлекторные двигатели получили широкое распространение, как благодаря своей высокой надёжности, высокой удельной мощности и возможности работать на высокой скорости, так и из-за быстрого развития полупроводниковой техники, сделавшей доступными мощные и компактные контроллеры для управления этими двигателями.

Бесколлекторные двигатели широко применяются в тех системах где их характеристики дают им преимущество перед двигателями других типов. Например, там, где требуется скорость вращения несколько десятков тысяч оборотов в минуту. Если от изделия требуется большой срок службы, а ремонт невозможен или ограничен из-за особенностей эксплуатации изделия, то и тогда бесколлекторный двигатель будет хорошим выбором.

Альтернативные способы охлаждения электродвигателей

Повысить эффективность работы систем можно за счет применения хладагентов с большей теплопроводностью. Так, в электрических машинах большой мощности реализованы системы замкнутого цикла с применением водорода, теплоемкость которого по сравнению с воздухом больше в 7,1 раз. Благодаря такому решению эффективность отвода тепла поднимается практически на порядок. Но, к сожалению, для промышленных электродвигателей средней и малой мощности такой поход нецелесообразен из-за больших эксплуатационных расходов. Большего внимания может заслуживать схема с принудительным охлаждением отведенного воздуха в теплообменниках типа «воздух – вода».