Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Двигатель постоянного тока — электрическая машина, преобразующая энергию постоянного тока в механическое вращение посредством щёточно-коллекторного узла. Благодаря широкому диапазону регулирования скорости и высокому пусковому моменту такие машины остаются незаменимы в промышленных приводах, где требуется точное управление. В статье разобраны конструкция, классификация по типу возбуждения и современные методы регулирования ДПТ.
Двигатель постоянного тока (ДПТ) — коллекторная электрическая машина, работающая от источника постоянного напряжения. Принцип её действия основан на взаимодействии тока в проводниках обмотки якоря с магнитным полем возбуждения: на проводники с током действует электромагнитная сила Ампера, создающая вращающий момент на валу машины.
Согласно ГОСТ 27471-87 "Машины электрические вращающиеся. Термины и определения" (действующий межгосударственный стандарт), электрическая машина — устройство, осуществляющее преобразование механической энергии в электрическую или обратно. ДПТ является обратимым преобразователем: в двигательном режиме потребляет электроэнергию, в генераторном — вырабатывает её. Диапазон мощностей серийных машин — от единиц ватт (малогабаритные исполнения для приборов автоматики) до нескольких мегаватт (прокатные станы, шахтные подъёмники).
Конструкция ДПТ включает два основных узла: неподвижный статор (индуктор) и вращающийся ротор (якорь). Между ними расположен воздушный зазор; его величина зависит от типоразмера машины и, как правило, составляет 0,5–5 мм.
Якорь — вращающаяся часть двигателя. Он включает шихтованный сердечник, обмотку якоря и коллектор. Сердечник набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35–0,5 мм — шихтовка снижает потери от вихревых токов. В машинах мощностью до 15–20 кВт обмотка якоря выполняется из круглого провода и укладывается в полузакрытые пазы. В более мощных машинах применяют провод прямоугольного сечения.
Коллектор — ключевой элемент ДПТ, обеспечивающий механическую коммутацию тока. Он представляет собой цилиндр из медных пластин (ламелей), изолированных друг от друга миканитом. К ламелям припаяны концы секций обмотки якоря.
Щётки скользят по поверхности коллектора и подводят ток к обмотке якоря. Марки щёток нормированы в соответствии с ГОСТ 12232-89. Для промышленных ДПТ применяют главным образом электрографитовые щётки марок серии ЭГ, обеспечивающие допустимую плотность тока около 12 А/см² и требующие удельного нажатия в диапазоне 35–50 кПа. В стационарных машинах общего назначения с меньшими нагрузками нажатие составляет 18–25 кПа (180–250 г/см²), что соответствует параметрам, принятым в технической литературе по электрическим машинам. Щёточно-коллекторный узел требует периодического контроля износа щёток и состояния поверхности коллектора.
Статор образует магнитную систему машины. Он включает станину (ярмо), главные полюсы с обмоткой возбуждения и дополнительные полюсы для улучшения коммутации. Главные полюсы создают основной магнитный поток; дополнительные компенсируют реакцию якоря в зоне коммутации и нормируются как обязательный элемент для большинства промышленных машин. Станина крупных машин выполняется из литой стали, малых — из прокатной стали или алюминиевых сплавов.
При подаче напряжения на якорь и обмотку возбуждения в машине создаются два магнитных потока: поток возбуждения Ф от главных полюсов и поток реакции якоря. Проводники обмотки якоря, пронизанные полем возбуждения, испытывают электромагнитную силу F = B·I·l, где B — магнитная индукция, I — ток якоря, l — активная длина проводника.
Совокупность этих сил создаёт электромагнитный момент: M = CM · Ф · Iя, где CM — конструктивная константа машины. По мере разгона якоря в обмотке наводится противо-ЭДС: E = CE · Ф · n, которая ограничивает ток якоря и устанавливает рабочую точку на механической характеристике.
Основное уравнение механической характеристики ДПТ: n = (U — Iя · Rя) / (CE · Ф), где U — напряжение питания, Rя — суммарное сопротивление якорной цепи. Из этого уравнения следуют все три метода регулирования скорости: изменение напряжения U, изменение потока возбуждения Ф, введение добавочного сопротивления Rя.
Классификация ДПТ основана на схеме включения обмотки возбуждения относительно якоря. Каждый тип имеет характерную механическую характеристику и область применения.
Обмотка возбуждения питается от отдельного регулируемого источника. Это позволяет независимо управлять магнитным потоком и током якоря, получая широкий диапазон регулирования скорости — до 1:1000 в замкнутых системах с цифровым регулятором. Такие машины применяются в металлообработке, намоточных агрегатах, испытательных стендах.
Обмотка возбуждения включена параллельно якорю. Ток возбуждения составляет 2–5% от номинального тока якоря. Механическая характеристика жёсткая: при изменении нагрузки частота вращения меняется незначительно. Применяется в станочных приводах и вентиляторных установках, где требуется стабильная скорость.
Ток возбуждения равен току якоря, поэтому поток возбуждения растёт с нагрузкой. При малых нагрузках скорость резко возрастает — работа на холостом ходу недопустима из-за риска "разноса". Пусковой момент в области ненасыщенной магнитной цепи пропорционален квадрату тока: M ~ I². Типичная область — тяговые электродвигатели электровозов, трамваев, подъёмные краны.
Содержит обе обмотки — параллельную и последовательную. Параллельная обеспечивает жёсткость характеристики при малых нагрузках, последовательная — повышенный пусковой момент. В большинстве средних и крупных машин со смешанным возбуждением параллельная обмотка дополнительно стабилизирует магнитный поток и придаёт характеристике устойчивость. Применяется в прессах и кранах с переменной нагрузкой.
Из уравнения механической характеристики следует три метода воздействия на частоту вращения. На практике методы применяются как раздельно, так и в комбинации.
Изменение напряжения U на якоре смещает характеристику параллельно самой себе — скорость холостого хода меняется пропорционально U при неизменном потоке. Жёсткость характеристики при этом сохраняется. Регулирование осуществляется ниже базовой скорости при постоянном моменте. Реализуется через тиристорный преобразователь (система ТП-Д) или транзисторный ШИМ-контроллер.
Диапазон регулирования в разомкнутой системе — до 1:10, в замкнутой системе с датчиком скорости (тахогенератор, энкодер) — до 1:1000 и более для прецизионных приводов.
Ослабление потока Ф при неизменном номинальном напряжении якоря повышает скорость выше базовой при снижении допустимого момента — это регулирование с постоянной мощностью. Для машин нормального исполнения реальный диапазон регулирования этим способом составляет D = 1,5÷2; специальные машины, рассчитанные на глубокое ослабление поля, обеспечивают D до 8. Применяется в металлорежущих станках для работы на больших скоростях с малыми силами резания.
Включение добавочного сопротивления в цепь якоря снижает скорость за счёт дополнительного падения напряжения. Метод прост в реализации, однако экономически неэффективен при длительной работе: потери мощности в реостате существенны, КПД падает при снижении скорости. Применяется преимущественно в пусковых режимах и для кратковременного ступенчатого регулирования, но не для длительного регулирования в установившемся режиме.
ДПТ с независимым и параллельным возбуждением используются в системах, требующих точного регулирования скорости и момента при переменной нагрузке.
Климатическое исполнение ДПТ выбирается с учётом условий эксплуатации согласно ГОСТ 15150-69: тропическое (Т), умеренно-холодное (УХЛ), холодное (ХЛ) и другие исполнения. Степень защиты оболочки нормируется по ГОСТ 14254-2015 (идентичен IEC 60529:2013). Для помещений с повышенным содержанием пыли применяются исполнения IP54; для условий со струями воды и промывкой — IP65.
Двигатель постоянного тока — зрелая технология с более чем полуторавековой историей применения в промышленности. Его главные достоинства — широкий диапазон регулирования скорости, линейная зависимость момента от тока якоря и высокий пусковой момент — обеспечивают актуальность в прецизионных приводах металлообработки, тяговом оборудовании и технологических линиях с резкопеременной нагрузкой. Понимание конструкции, механических характеристик разных типов возбуждения и методов регулирования позволяет грамотно подобрать машину под конкретную задачу и построить эффективную систему управления.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.