Механічна характеристика двигуна постійного струму послідовного збудження. Види збудження та схеми включення двигунів постійного струму. В умовах змішаного типу збудження

Двигуни постійного струмув залежності від способів їх збудження, як уже зазначалося, поділяються на двигуни з незалежним, паралельним(шунтовим), послідовним(серієсним) та змішаним (компаундним) збудженням.

Двигуни незалежного збудження, Вимагають два джерела живлення (рис.11.9, а). Один із них необхідний для живлення обмотки якоря (висновки Я 1і Я2), а інший - для створення струму в обмотці збудження (висновки обмотки Ш1і Ш2). Додатковий опір Rдв ланцюзі обмотки якоря необхідно зменшення пускового струму двигуна на момент його включення.

З незалежним збудженням виконуються в основному потужні електричні двигуни з метою зручнішого та економічного регулювання струму збудження. Перетин обмотки збудження визначається в залежності від напруги її джерела живлення. Особливістю цих машин є незалежність струму збудження, відповідно і основного магнітного потоку, від навантаження на валу двигуна.

Двигуни із незалежним збудженням за своїми характеристиками практично збігаються з двигунами паралельного збудження.

Двигуни паралельного збудженнявключаються відповідно до схеми, показаної на рис.11.9,б. Затискачі Я 1і Я2відносяться до обмотки якоря, а затискачі Ш1і Ш2- До обмотки збудження (до шунтової обмотки). Змінні опори Rді Rвпризначені відповідно для зміни струму в обмотці якоря та в обмотці збудження. Обмотка збудження цього двигуна виконується з великої кількості витків мідного дроту порівняно малого перерізу та має значний опір. Це дозволяє підключати її на повну напругу мережі, вказану в паспортних даних.

Особливістю двигунів цього є те, що з їхньої роботі забороняється від'єднувати обмотку порушення від якірної ланцюга . В іншому випадку при розмиканні обмотки збудження в ній з'явиться неприпустиме значення ЕРС, яке може призвести до виходу з ладу двигуна та ураження обслуговуючого персоналу. З тієї ж причини не можна розмикати обмотку збудження та при вимиканні двигуна, коли його обертання ще не припинилося.

Зі збільшенням частоти обертання додатковий (додатковий) опір Rд у ланцюгу якоря слід зменшувати, а при досягненні частоти обертання, що встановилася, – вивести повністю.

Рис.11.9. Види збудження машин постійного струму,

а - незалежного збудження, б - паралельного збудження,

в – послідовного збудження, г – змішаного збудження.

ОВШ - обмотка збудження шунтова, ОВД - обмотка збудження серієсна," ОВН - обмотка незалежного збудження, Rд -додатковий опір ланцюга обмотки якоря, Rв-додатковий опір в ланцюгу обмотки збудження.

Відсутність додаткового опору в обмотці якоря в момент пуску двигуна може призвести до появи великого пускового струму, що перевищує номінальний струм якоря 10...40 разів .

Важливою властивістю двигуна паралельного збудження є практично постійна частота його обертання при зміні навантаження на валу якоря. Так при зміні навантаження від холостого ходу до номінального значення частота обертання зменшується лише на (2.. 8)% .

Другою особливістю цих двигунів є економічне регулювання частоти обертання, при якому відношення найбільшої швидкості до найменшої може становити 2:1 , а при спеціальному виконанні двигуна - 6:1 . Мінімальна частота обертання обмежується насиченням магнітного ланцюга, яке дозволяє вже збільшувати магнітний потік машини, а верхня межа частоти обертання визначається стійкістю машини - при значному ослабленні магнітного потоку двигун може піти «врознос».

Двигуни послідовного збудження(серієсні) включаються за схемою (рис.11.9, в). Висновки З 1і С2відповідають серієсної (послідовної) обмотці збудження. Вона виконується з порівняно малого числа витків переважно мідного дроту великого перерізу. Обмотка збудження з'єднується послідовно з обмоткою якоря. Додатковий опір Rдв ланцюгу обмоток якоря та збудження дозволяє зменшити пусковий струмта проводити регулювання частоти обертання двигуна. У момент включення двигуна воно повинно мати таку величину, при якій пусковий струм складатиме (1,5...2,5)Ін. Після досягнення двигуном частоти обертання додатковий опір Rдвиводиться, тобто встановлюється рівним нулю.

Ці двигуни під час пуску розвивають великі пускові моменти обертання і мають запускатися при навантаженні щонайменше 25% її номінального значення. Увімкнення двигуна при меншій потужності на його валу і тим більше в режимі холостого ходу не допускається. В іншому випадку двигун може розвинути неприпустимо великі обертищо викликає вихід його з ладу. Двигуни цього типу широко застосовуються в транспортних та підйомних механізмах, у яких необхідно змінювати частоту обертання у межах.

Двигуни змішаного збудження(компаудні), займають проміжне положення між двигунами паралельного та послідовного збудження (рис.11.9, г). Велика приналежність їх до того чи іншого виду залежить від співвідношення частин основного потоку збудження, створюваних паралельним або послідовним обмотками збудження. У момент включення двигуна для зменшення пускового струму в ланцюг обмотки якоря вмикається додатковий опір Rд. Цей двигун має хороші тягові характеристики і може працювати в режимі холостого ходу.

Пряме (безреостатане) включення двигунів постійного струму всіх видів збудження допускається потужністю не більше одного кіловата.

Позначення машин постійного струму

В даний час найбільшого поширення набули машини постійного струму. загального призначеннясерії 2Пі найбільш нової серії 4П.Окрім цих серій випускаються двигуни для кранових, екскаваторних, металургійних та інших приводів серії. Д.Виготовляються двигуни та спеціалізованих серій.

Двигуни серій 2Пі 4Пподіляються по осі обертання, як це прийнято для асинхронних двигунів змінного струмусерії 4А. Машини серії 2Пмають 11 габаритів, що відрізняються за висотою обертання осі від 90 до 315 мм. Діапазон потужностей машин цієї серії становить від 0,13 до 200 кВт для електричних двигунів та від 0,37 до 180 кВт для генераторів. Двигуни серій 2П і 4П розраховуються на напругу 110, 220, 340 і 440 В. Їхні номінальні частоти обертання становлять 750, 1000, 1500,2200 і 3000 об/хв.

Кожен із 11 габаритів машин серії 2Пмає станини двох довжин (М та L).

Електричні машини серії 4Пмають кращі деякі техніко-економічні показники порівняно із серією 2П. трудомісткість виготовлення серії 4Ппорівняно з 2Пзнижена у 2,5...3 рази. У цьому витрата міді знижується на 25...30 %. По ряду конструктивних особливостей, у тому числі за способом охолодження, захисту від атмосферних впливів, використання окремих деталей і вузлів машини серії 4Пуніфіковані з асинхронними двигунами серії 4Аі АІ .

Позначення машин постійного струму (як генераторів, і двигунів) представляється так:

ПХ1Х2ХЗХ4,

де 2П- Серія машини постійного струму;

XI- Виконання за типом захисту: Н - захищене з самовентиляцією, Ф - захищене з незалежною вентиляцією, Б - закрите з природним охолодженням, Про - закрите з обдувом від стороннього вентилятора;

Х2- висота осі обертання (двозначне або тризначне число) у мм;

ХЗ- умовна довжина статора: М – перша, L – друга, Г – з тахогенератором;

Як приклад можна навести позначення двигуна 2ПН112МГУ- Двигун постійного струму серії 2П, захищеного виконання із самовентиляцією Н,112 висота осі обертання мм, перший розмір статора М, укомплектований тахогенератором Гвикористовується для помірного клімату У.

По потужностям електричні машини постійного струму умовно можуть бути поділені на такі групи:

Мікромашини ………………………...менше 100 Вт,

Дрібні машини ………………………від 100 до 1000 Вт,

Машини малої потужності…………..від 1 до 10 кВт,

Машини середньої потужності………..від 10 до 100 кВт,

Великі машини……………………..від 100 до 1000 кВт,

Машини великий потужність……….більше 1000 кВт.

По номінальним напругам електричні машини поділяються умовно так:

Низького напруги…………….менше 100 У,

Середньої напруги ………….від 100 до 1000 В,

Високого напруги……………вище 1000В.

За частотою обертання машини постійного струму можуть бути подані як:

Тихохідні…………….менше 250 об/хв.,

Середній швидкості………від 250 до 1000 об/хв.,

Швидкісні ... ... ... .... Від 1000 до 3000 об / хв.

Надшвидкохідні ..... понад 3000 об / хв.

Завдання та методика виконання роботи.

1. Вивчити пристрій та призначення окремих частин електричних машин постійного струму.

2.Визначити висновки машини постійного струму, які стосуються обмотки якоря і обмотці збудження.

Висновки, що відповідають тій чи іншій обмотці, можуть бути визначені мегомметром, омметром або електричною лампочкою. При використанні мегомметр один його кінець приєднується до одного з висновків обмоток, а іншим по черзі стосуються інших. Виміряний опір, що дорівнює нулю, вкаже на відповідність двох висновків однієї обмотки.

3. Розпізнати за висновками обмотку якоря та обмотку збудження. Визначити вид обмотки збудження (паралельного збудження чи послідовного).

Цей досвід можна здійснити за допомогою електричної лампочки, що підключається послідовно з обмотками. Постійну напругу слід подавати плавно, поступово підвищуючи її до вказаного номінального значення в паспорті машини.

З урахуванням малого опору якірної обмотки та обмотки послідовного збудження лампочка загориться яскраво, а їх опори, виміряні мегомметром (або омметром), будуть практично рівні нулю.

Лампочка, з'єднана послідовно з паралельною обмоткою збудження, горітиме тьмяно. Значення опору паралельною обмоткою збудження має бути в межах 0,3...0,5 ком .

Висновки якірної обмотки можна розпізнати шляхом приєднання одного кінця мегомметра до щіток, торкаючись при цьому іншим його кінцем висновків обмоток на щитку електричної машини.

Висновки обмоток електричної машини слід позначити на зображеній у звіті умовній етикетці висновків.

Виміряти опір обмоток та опір ізоляції. Опір обмоток можна виміряти за схемою амперметра та вольтметра. Опір ізоляції між обмотками та обмотками щодо корпусу перевіряється мегомметром, розрахованим на напругу 1 кВ. Опір ізоляції між обмоткою якоря та обмоткою збудження і між ними та корпусом має бути не нижче 0,5 МОм. Дані вимірювання відображаються у звіті.

Зобразити умовно в поперечному розрізі головні полюси з обмоткою збудження і якір з витками обмотки, що під полюсами (подібно рис.11.10). Самостійно прийняти напрямок струму в обмотках збудження та якоря. Вказати за цих умов напрямок обертання двигуна.

Мал. 11.10. Двополюсна машина постійного струму:

1 – станина; 2-якір; 3 – головні полюси; 4 – обмотка збудження; 5 – полюсні наконечники; 6 - обмотка якоря; 7 – колектор; Ф – основний магнітний потік; F – сила, що діє на провідники обмотки якоря.

Контрольні питання та завдання для самостійної підготовки

1: Поясніть пристрій та принцип дії двигуна та генератора постійного струму.

2. Поясніть призначення колектора постійного струму.

3. Дати поняття полюсного поділу і навести вираз для його визначення.

4.Назвать основні види обмоток, що застосовуються в машинах постійного струму, і знати способи їх виконання.

5.Вказати основні переваги двигунів паралельного збудження.

6.Які конструктивні особливостіобмотки паралельного збудження проти обмоткою послідовного збудження?

7.У чому особливість запуску двигунів постійного струму послідовного збудження?

8. Скільки паралельних гілок мають просту хвильову та просту петлеву обмотки машин постійного струму?

9. Як позначаються машини постійного струму? Навести приклад позначення.

10. Якої величини допускається опір ізоляції між обмотками машин постійного струму та між обмотками та корпусом?

11. Якої величини може досягти струм у момент пуску двигуна за відсутності додаткового опору в ланцюзі обмотки якоря?

12. Якої величини допускається пусковий струм двигуна?

13.В яких випадках допускається пуск двигуна постійного струму без додаткового опору ланцюга обмотки якоря?

14. За рахунок чого можна змінити ЕРС генератора незалежного збудження?

15. Яке призначення додаткових полюсів машини постійного струму?

16.При яких навантаженнях допускається увімкнення двигуна послідовного збудження?

17.Чим визначається величина основного магнітного потоку?

18.Написати вирази ЕРС генератора та моменту обертання двигуна. Дати поняття складових, що до них входять.

Лабораторна робота 12.

Повна механічна характеристика двигуна постійного струму дозволяє правильно визначитися з основними властивостями електродвигуна, а також проконтролювати їхню відповідність усім вимогам, що пред'являються на сьогодні до машин або пристроїв технологічного типу.

Особливості конструкції

Представлені нагнітальними елементами, що обертаються, які розміщуються на поверхні статично закріпленої станини. Пристрої подібного типу отримали широке застосування та експлуатуються за необхідності забезпечувати різноманітність швидкісного регулювання в умовах стабільності обертальних рухів приводу.

З конструктивної точки зору, всі види ДПТ представлені:

• роторною або якірною частиною у вигляді великої кількості котушкових елементів, покритих спеціальною обмоткою струмопровідної;
• статичним індуктором як стандартної станини, доповненої кількома магнітними полюсами;
• функціональним щітковим колектором циліндричної форми, що розташовується на валу і має мідну пластинчасту ізоляцію;
• статично зафіксованими контактними щітками, що використовуються з метою підведення достатньої кількості електроструму на роторну частину.

Як правило, електричні двигуни ПТ оснащуються спеціальними щітками графітового та мідно-графітного типу. Обертальні рухи валу провокують замикання та розмикання контактної групи, а також сприяють іскрінню.

Певна кількість механічної енергії надходить від роторної частини до інших елементів, що з наявністю передачі ремінного типу.

Принцип функціонування

Синхронні пристрої зверненого функціоналу характеризуються зміною виконання завдань статором та ротором. Перший елемент служить збудження магнітного поля, а другий у разі перетворює достатню кількість енергії.

Якірне обертання в умовах магнітного поля наводиться за допомогою ЕРС, а рух спрямований відповідно до правила правої руки. Поворот на 180 о супроводжується стандартною зміною руху ЕРС.

Принцип дії двигуна постійного струму

Колектори за допомогою щіткового механізму з'єднуються з двома витковими сторонами, що провокує видалення пульсуючої напруги і викликає утворення постійних струмових величин, зниження якорної пульсації здійснюється додатковими витками.

Механічна характеристика

На сьогоднішній день експлуатуються електромотори ПТ кількох категорій, що мають різні видизбудження:

• незалежного типу, у якому обмотувальне харчування визначається незалежним джерелом енергії;
• послідовного типу, при якому підключення якірної обмотки виконується у послідовному напрямку з обмотувальним елементом збудження;
• паралельного типу, при якому роторна обмотка підключається в електричному ланцюзі в паралельному для джерела живлення напрямку;
• змішаного типу, заснованому на наявності декількох послідовних та паралельних обмотувальних елементів.

Механічна характеристика двигуна постійного струму незалежного збудження ДПТ

Механічні моторні характеристикиподіляються на показники природного та штучного вигляду. Незаперечні переваги ДПТ представлені підвищеними показниками продуктивності та збільшеним ККД.

Завдяки особливим механічним характеристикам пристрою з постійними струмовими величинами здатні легко переносити негативні зовнішні впливи, що пояснюється закритим корпусом з елементами ущільнювачів, абсолютно виключають попадання вологи всередину конструкції.

Моделі незалежного збудження

Мотори ПТ НВ мають обмотувальне збудження, що підключається до окремого виглядуджерела електричного живлення. У такому випадку обмотковий ланцюг збудження ДПТ НВ доповнюється реостатом регулювального типу, а якірний ланцюг забезпечується додатковими або пусковими реостатними елементами.

Відмінною особливістю такого виду двигуна є незалежність струмового збудження від якірного струму, що обумовлюється незалежним живленням обмотувального збудження.

Характеристики електродвигунів з незалежним та паралельним збудженням

Лінійна механічна характеристика при незалежному типі збудження:

• ω – показники обертальної частоти;
• U - показники напруги на експлуатованому якірному ланцюзі;
• Ф – параметри магнітного потоку;
• R я і R д - рівень якірного та додаткового опору;
• Α - константа конструкції движка.

Даним типом рівняння визначається залежність обертальної швидкості двигуна до моменту валу.

Моделі послідовного збудження

ДПТ з ПТВ є пристрій електричного типу з постійними струмовими величинами, що мають обмотку збудження, послідовно підключену до якірної обмотки. Даний тип двигунів характеризується справедливістю наступної рівності: струмом, що протікає в обмотці якоря, рівним струмом обмотувального збудження, або I = I = I я.

Механічні характеристики при послідовному та змішаному збудженні

При використанні послідовного типу збудження:

• n 0 – показники частоти обертання валу в умовах холостого ходу;
• n - показники зміни частоти обертання в умовах механічного навантаження.

Зміщення механічних характеристик вздовж осі ординат дозволяє їм залишатися повністю паралельному розташуванні один одному, завдяки чому регулювання обертальної частоти при зміні даної напруги U, підведеного до якірного ланцюга, стає максимально сприятливим.

Моделі змішаного збудження

Для змішаного збудження властиво розташування між параметрами пристроїв паралельного та послідовного збудження, чим легко забезпечується значущість пускового моменту і повністю виключається будь-яка можливість рознесення движкового механізму в умовах холостого ходу.

В умовах змішаного типу збудження:

Двигун змішаного збудження

Регулювання частоти моторного обертання за наявності збудження змішаного типу здійснюється за аналогією з двигунами, що мають паралельне збудження, а варіювання МДС-обмоток сприяє отриманню практично будь-якої проміжної механічної характеристики.

Рівняння механічної характеристики

Найбільш важливі механічні характеристики ДПТ представлені природними та штучними критеріями, при цьому перший варіант можна порівняти з номінальною напругою живлення в умовах повної відсутності додаткового опору на обмотувальних ланцюгах двигуна. Невідповідність будь-якій із заданих умов дозволяє розглядати характеристику як штучну.

ω = U я / k Ф - (R я + R д)/(k Ф)

Це ж рівняння може бути представлене у формі ω = ω о. - Δ ω, де:

• ω о.ід. = U я /k Ф
• ω о.ід - показники кутової швидкості холостого ідеального ходу
• Δ ω = Мем. [(R я +R д)/(k Ф)2]- зниження показників кутової швидкості під впливом навантаження на вал мотора при пропорційному опорі ланцюга якоря

Характеристики рівняння механічного типу представлені стандартною стійкістю, жорсткістю та лінійністю.

Висновок

Відповідно до застосовуваних механічних характеристик будь-які ДПТ відрізняються конструктивною простотою, доступністю та можливістю здійснювати регулювання частоти валового обертання, а також легкістю пуску ДПВ. Крім іншого, такі пристрої можуть застосовуватися в якості генератора і мають компактні габарити, що добре нівелює недоліки у вигляді графітових щіток, що швидко зношуються, високої собівартості і необхідності обов'язково підключати струмові випрямлячі.

Відео на тему

У двигуні послідовного збудження, який іноді називають серієсним, обмотка збудження включена послідовно з обмоткою якоря (рис. 1). Для такого двигуна справедлива рівність I = I a = I, отже, його магнітний потік Ф залежить від навантаження Ф = f (I a). В цьому Головна особливістьдвигуна послідовного збудження та вона визначає його властивості.

Мал. 1 - Схема електродвигуна послідовного збудження

Швидкісна характеристикапредставляє залежність n=f(I a) при U=U зв. Вона не може бути точно виражена аналітично у всьому діапазоні зміни навантаження від холостого ходу до номінальної через відсутність прямої пропорційної залежності між I a і Ф. Прийнявши припущення Ф=кI a запишемо аналітичну залежність швидкісної характеристики у вигляді

При збільшенні струму навантаження гіперболічний характер швидкісної характеристики порушується і наближається до лінійного, тому що при насиченні магнітного ланцюга машини зі збільшенням струму I магнітний потік залишається практично постійним (рис. 2). Крутизна характеристики залежить від величини r.

Мал. 2 - Швидкісні характеристикидвигуна послідовного збудження

Таким чином, швидкість серієсного двигуна різко змінюється зі зміною навантаження і така характеристика називається м'якою.

При малих навантаженнях (до 0,25 I н) швидкість двигуна послідовного збудження може зрости до небезпечних меж ( двигун йде«розріз», тому робота таких двигунів на холостому ходіне допускається.

Моментна характеристика- Це залежність M = f (I a) при U = U н. Якщо припустити, що магнітний ланцюг не насичений, то Ф=кI a і, отже, маємо

М=з м I a Ф=з м кI a 2

Це рівняння квадратичної параболи.

Крива моментної характеристики зображено малюнку 3.8. У міру збільшення струму I a магнітна система двигуна насичується, і характеристика поступово наближається до прямої.

Мал. 3 - Моментна характеристика двигуна послідовного збудження

Таким чином, електродвигун послідовного збудження розвиває момент, пропорційний I a 2 що і визначає головне його перевага. Так як при пуску I a = (1,5..2) I н, то двигун послідовного збудження розвиває значно більший пусковий момент у порівнянні з двигунами паралельного збудження, тому він широко використовується в умовах важких пусків та при можливих навантаженнях.

Механічна характеристикає залежністю n=f(M) при U=U н. Аналітичний вираз цієї характеристики може бути отримано тільки в окремому випадку, коли магнітний ланцюг машини ненасичений і потік Ф пропорційний струму якоря I a . Тоді можна записати

Вирішуючи спільно рівняння, отримуємо

тобто. механічна характеристика двигуна послідовного збудження, як і швидкісна, має гіперболічний характер (рис. 4).

Мал. 4 - Механічні характеристики двигуна послідовного збудження

Характеристика ККДдвигуна послідовного збудження має звичайний електродвигунів вид ().

Схема двигуна постійного струму послідовного збудження зображено малюнку 6-15. Обмотка збудження двигуна включена послідовно з якорем, тому магнітний потік двигуна змінюється разом із зміною. ним навантаження. Так як струм навантаження великий, то обмотка збудження має невелику кількість витків, це дозволяє спростити конструкцію пускового.

реостата в порівнянні з реостатом для двигуна паралельного збудження

Швидкісну характеристику (рис. 6-16) можна отримати на підставі рівняння швидкості, яка для двигуна послідовного збудження має вигляд:

де - Опір обмотки збудження.

З розгляду характеристики видно, що швидкість двигуна залежить від навантаження. При збільшенні навантаження збільшується падіння напруги на опорі обмоток при одночасному збільшенні магнітного потоку, що призводить до значного зменшення швидкості обертання. Це характерна риса двигуна послідовного збудження. Значне зменшення навантаження призведе до небезпечного двигуна збільшення швидкості обертання. При навантаженнях менше 25% номінальної (і особливо на холостому ходу), коли струм навантаження та магнітний потік через невелику кількість витків в обмотці збудження виявляється настільки слабким, що швидкість обертання швидко зростає до неприпустимо великих значень (двигун може «рознести»). З цієї причини ці двигуни застосовують лише в тих випадках, коли їх з'єднують з механізмами, що приводяться в обертання, безпосередньо або через зубчасту передачу. Застосування ремінної передачі неприпустимо, оскільки ремінь може обірватися чи зіскочити, двигун у своїй повністю розвантажиться.

Регулювання швидкості обертання двигуна послідовного збудження може здійснюватися зміною магнітного потоку або зміною напруги живлення.

Залежність крутного моменту від струму навантаження ( механічну характеристику) двигуна послідовного збудження можна отримати, якщо у формулі крутного моменту (6.13) магнітний потік виразити через струм навантаження. У відсутність магнітного насичення потік пропорційний току збудження, а останній для даного двигунає струмом навантаження, тобто.

На графіку (див. рис. 6-16) ця характеристика має форму параболи. Квадратична залежність крутного моменту від струму навантаження є другою характерною особливістюдвигуна послідовного збудження, завдяки якій ці двигуни легко переносять великі короткочасні навантаження та розвивають великий пусковий момент.

Робочі характеристики двигуна наведено малюнку 6-17.

З розгляду всіх характеристик слід, що двигуни послідовного збудження можна застосовувати у тих випадках,

коли необхідний великий пусковий момент чи короткочасне навантаження; виключена можливість їхнього повного розвантаження. Вони виявилися незамінними як тягові двигуни на електротранспорті (електровоз, метрополітен, трамвай, тролейбус), у підйомно-транспортних установках (крани і т. д.) і для пуску двигунів внутрішнього згоряння(стартери) в автомобілях та авіації.

Економічне регулювання швидкості обертання у межах здійснюється у разі одночасної роботи кількох двигунів шляхом різних комбінацій включення двигунів і реостатів. Наприклад, малих швидкостях вони включаються послідовно, але в великих - паралельно. Необхідні перемикання здійснюються оператором (водієм) поворотом ручки перемикача.

Електродвигуни – це машини, здатні перетворювати електричну енергію на механічну. Залежно від типу споживаного струму вони поділяються на двигуни змінного та постійного струму. У цій статті йтиметься про других, які скорочено називаються ДПТ. Електродвигуни постійного струму оточують нас щодня. Ними оснащуються електроінструменти, що працюють від батарейок або акумуляторів, електротранспорт, деякі промислові верстати та багато іншого.

Пристрій та принцип роботи

ДПТ за своєю будовою нагадує синхронний електродвигун змінного струму, різниця між ними лише у типі споживаного струму. Двигун складається з нерухомої частини – статора або індуктора, рухомої частини – якоря та щітковоколекторного вузла. Індуктор може бути виконаним у вигляді постійного магнітуякщо двигун малопотужний, але частіше він забезпечується обмоткою збудження, що має два або більше полюси. Якір складається з набору провідників (обмоток), закріплених у пазах. У найпростішої моделіДПТ використовувалися лише один магніт і рамка, якою проходив струм. Таку конструкцію можна розглядати тільки як спрощений приклад, тоді як сучасна конструкція – це вдосконалений варіант, що має складніший пристрій і розвиває необхідну потужність.

Принцип роботи ДПТ ґрунтується на законі Ампера: якщо в магнітне поле помістити заряджену дротяну рамку, вона почне обертатися. Струм, проходячи по ній, утворює навколо себе власне магнітне поле, яке при контакті із зовнішнім магнітним полем почне обертати рамку. У випадку з однією рамкою обертання продовжуватиметься, доки вона не займе нейтральне положення паралельно зовнішньому магнітному полю. Щоб привести систему до руху, потрібно додати ще одну рамку. У сучасних ДПТ рамки замінено якорем із набором провідників. На провідники подається струм, заряджаючи їх, у результаті навколо якоря виникає магнітне поле, яке починає взаємодіяти з магнітним полем обмотки збудження. Внаслідок цієї взаємодії якір повертається на певний кут. Далі струм надходить наступні провідники тощо.
Для зарядки провідників якоря використовуються спеціальні щітки, виконані з графіту або сплаву міді з графітом. Вони відіграють роль контактів, які замикають електричний ланцюгна висновки кількох провідників. Всі висновки ізольовані між собою та об'єднані в колекторний вузол – кільце з кількох ламелей, що знаходиться на осі валу якоря. Під час роботи двигуна щітки-контакти по черзі замикають ламелі, що дозволяє двигуну обертатися рівномірно. Чим більше провідників має якір, тим рівномірніше працюватиме ДПТ.

Двигуни постійного струму поділяються на:
- Електродвигуни з незалежним збудженням;
- електродвигуни із самозбудженням (паралельні, послідовні чи змішані).
Схема ДПТ із незалежним збудженням передбачає підключення обмотки збудження та якоря до різних джерел живлення, так що між собою вони не пов'язані електрично.
Паралельне збудження реалізується шляхом паралельного підключення обмоток індуктора та якоря до одного джерела живлення. Двигуни цих двох типів мають жорсткі робочі характеристики. У них частота обертання робочого валу залежить від навантаження, і його можна регулювати. Такі двигуни знайшли застосування у верстатах зі змінним навантаженням, де важливо регулювати швидкість обертання валу.
При послідовному збудженні якір та обмотка збудження підключені послідовно, тому значення електричного струму у них однакове. Такі двигуни більш «м'які» у роботі, мають більший діапазон регулювання швидкостей, але потребують постійного навантаження на вал, інакше швидкість обертання може досягти критичної позначки. У них високе значення пускового моменту, що полегшує запуск, але при цьому швидкість обертання валу залежить від навантаження. Застосовуються вони на електротранспорті: у кранах, електропоїздах та міських трамваях.
Змішаний тип, при якому одна обмотка збудження підключається до якоря паралельно, а друга послідовно зустрічається рідко.

Коротка історія створення

Першопрохідником історія створення електричних двигунів став М.Фарадей. Створити повноцінну робочу модель він не зміг, натомість саме йому належить відкриття, яке зробило це можливим. У 1821 році він провів досвід із використанням зарядженого дроту, поміщеного у ртуть у ванну з магнітом. При взаємодії з магнітним полем металевий провідник починав обертатися, перетворюю енергію електричного струму на механічну роботу. Вчені того часу працювали над створенням машини, робота якої ґрунтувалася б на цьому ефекті. Вони хотіли отримати двигун, що працює за принципом поршневого, тобто щоб робочий вал рухався зворотно-поступально.
У 1834 році було створено перший електричний двигунпостійного струму, який розробив та створив російський учений Б.С.Якобі. Саме він запропонував замінити зворотно-поступальний рух валу його обертанням. У його моделі два електромагніти взаємодіяли між собою, обертаючи вал. У 1839 році він успішно випробував човен, оснащений ДПТ. Подальша історія цього силового агрегату, По суті - це вдосконалення двигуна Якобі.

Особливості ДПТ

Як і інші види електродвигунів, ДПТ відрізняється надійністю та екологічністю. На відміну від двигунів змінного струму, у нього можна регулювати швидкість обертання валу в широкому діапазоні, частоту, до того ж він відрізняється легким запуском.
Двигун постійного струму можна використовувати як власне двигун і як генератор. Також у нього можна змінювати напрямок обертання валу шляхом зміни напрямку струму в якорі (для всіх типів) або в обмотці збудження (для двигунів з послідовним збудженням).
Регулювання швидкості обертання досягається шляхом підключення до ланцюга змінного опору. При послідовному збудженні воно знаходиться в ланцюзі якоря і дає можливість скорочувати оберти у співвідношеннях 2:1 та 3:1. Такий варіант підходить для обладнання, яке має тривалі періоди простою, тому що під час роботи відбувається значне нагрівання реостату. Збільшення оборотів забезпечується підключенням реостату до ланцюга обмотки збудження.
Для двигунів з паралельним збудженням також використовуються реостати ланцюга якоря зниження оборотів не більше 50% від номінальних значень. Установка опору ланцюга обмотки збудження дозволяє збільшувати обороти до 4 разів.
Використання реостатів завжди пов'язане зі значними втратами тепла, тому сучасних моделяхдвигунів вони замінені на електронні схеми, що дозволяють керувати швидкістю без значних втрат енергії
ККД двигунапостійного струму залежить від його потужності. Маломощние моделі відрізняються низькою ефективністю з ККД близько 40%, тоді як двигуни з потужністю 1000 кВт можуть мати ККД, що досягає 96%.

Переваги та недоліки ДПТ

До основних переваг двигунів постійного струму відносяться:
- Простота конструкції;
- Легкість в управлінні;
- Можливість регулювання частоти обертання валу;
- Легкий запуск (особливо у двигунів з послідовним збудженням);
- Можливість використання в якості генераторів;
- компактні розміри.
Недоліки:
- мають « слабка ланка» - графітові щітки, які швидко зношуються, що обмежує термін служби;
- Висока собівартість;
— при підключенні до мережі вимагають випрямлячів струму.

Сфера використання

Широке застосування двигуни постійного струму знайшли у транспорті. Вони встановлюються у трамваях, електричках, електровозах, паровозах, теплоходах, самоскидах, кранах тощо. крім того, їх використовують в інструментах, комп'ютерах, іграшках та рухомих механізмах. Часто їх можна зустріти і на виробничих верстатах, де потрібне регулювання частоти обертання робочого валу в широкому діапазоні.