Коллекторные двигатели (универсальные)

Коллекторные двигатели можно разделить на три группы-двигатели постоянного тока, двигатели переменного тока и универсальные.

В настоящее время из большого разнообразия коллекторных двигателей переменного тока в схемах автоматики в основном применяются однофазные коллекторные микродвигатели с последовательным возбуждением.

Кроме коллекторных двигателей переменного тока выпускается большое количество универсальных коллекторных двигателей, способных работать как от сетей постоянного, так и от сетей переменного тока.

Принципиальная схема двигателя показана на рисунке 5.1

Рисунок 5.1

Эти двигатели по своему устройству почти не отличаются от двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением. Отличие заключается лишь в том, что они имеют не литые(сплошные), а шихтованные полосы, станину, магнитопровод якоря.

Последнее необходимо для уменьшения потерь на вихревые токи от переменного во времени магнитного потока.

Вращающий момент двигатель развивает за счёт взаимодействия тока обмотки якоря Iа с магнитным потоком полюсов Фв.

Если ток якоря Iа и магнитный поток Фв совпадают во времени по фазе, то вращающий момент М, несмотря на переменный характер Iа и Фв не изменяет своего направления, так как одновременно с током аналогично меняется и поток.

Однако вследствие изменения тока и потока во времени М не остается постоянным по величине.

При наличии временного сдвига между током Iа и потоков Фв в определённые моменты времени вращающий момент М меняет знак.

В этом можно убедиться, анализируя выражение вращающегося момента

Пусть ,где

b - угол сдвига потока относительно тока во времени.

Тогда момент

Вращающий момент имеет две составляющие постоянную и переменную, которая изменяется во времени с двойной частотой сети. Этому выражению соответствует рисунок 5.2, на котором представлена зависимость вращающегося момента однофазного фазного коллекторного двигателя переменного тока от времени.

Рисунок 5.2

В момент времени, когда ток I или Ф проходят через нуль, М=0

В определённый момент времени Мвр приобретает отрицательное значение.

Величина отрицательного момента зависит от угла сдвига тока

и потока b.

При b=0 амплитуда переменной составляющей момента М_var равна постоянной составляющей момента М_const и момент не получает отрицательных значений.

Угол b - угол отставания магнитного потока от тока возникает за счёт потерь в стали. Поэтому в таких двигателях стремятся уменьшить потери в стали.

Пульсация момента реально не отражается на средней скорости вращения за один оборот. Это объясняется большой частотой вращения якоря значительными маховыми массами вращающихся частей механизмов, приводимых во вращение двигателем.

Однако в приводах, где требуется высокая стабильность мгновенной скорости с ней нельзя не считаться.

Уравнение напряжения необходимо составлять с учётом ЭДС, наводимых в обмотках за счёт переменного во времени потока.

В обмотках возбуждения находятся две ЭДС.

- от основного потока Ф.

- от потока рассеяния , совпадающего во времени с током I.

В обмотке якоря наводится ЭДС вращения

- изменяется с частотой сети, в отличие от машин постоянного тока.

– ЭДС реакции якоря от ,

– ЭДС реакции от потока .

Напряжение U, приложенное к двигателю уравновешивается суммой ЭДС и падением напряжения на активных сопротивлениях якоря r_я и щёточного контакта r_щ.

Обозначим r`_я+r_щ=r_я, а также на активном сопротивлении обмотки возбуждения r_в.

(1)

Этому уравнению соответствует следующая векторная диаграмма представленная на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3

Эта диаграмма построена без учёта потерь в стали, то есть Е_вs и Е_яs отстают от тока I точно на 90 градусов.

Уравнение (1) можно упростить, если пренебречь насыщением и выразить ЭДС рассеяния через ток и соответствующие индуктивные сопротивления.

(2)

Уравнение (2) аналогично уравнению напряжений двигателя постоянного тока. Только оно не скалярное, а векторное. Оно учитывает не только активные, но и реактивные сопротивления.

Учитывая, что , частоту вращения двигателя можно выразить выражением:

, где - постоянная величина

Механическая характеристика n=f(M) представлена на рисунке 5.4

Рисунок 5.4

Пунктиром изображена характеристика двигателя при уменьшенном числе витков обмотки возбуждения.

Характеристика аналогична характеристике двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением при малых М и высокой n

При отсутствии нагрузки на валу двигатель идёт в разнос.

По своим рабочим свойствам однофазный коллекторный двигатель напоминает двигатель постоянного тока. Однако уступает ему по своим энергетическим показателям (h,Р).

Это объясняется увеличенными потерями в стали за счёт потерь в станине и полюсах.

Большим недостатком коллекторного двигателя переменного тока является плохая их коммутация – значительное искрение под щётками.

Причина в том, что в коммутируемой секции (секции, замкнутой щётками накоротко), кроме реактивной ЭДС и ЭДС вращения здесь наводится ещё ЭДС трансформации. Эта ЭДС возникает вследствие пульсации потока главных полюсов, с осью которых совпадает ось коммутируемой секции.

Эта секция является как бы вторичной обмоткой трансформатора, замкнутая накоротко. Первичной обмоткой является обмотка возбуждения. ЭДС трансформации в отличие от реактивной ЭДС и ЭДС вращения почти не зависит от частоты вращения и нагрузки (тока I).

Кроме этого, он сдвинется от и по фазе (рисунок 5.5)

На векторной диаграмме для ЭДС коммутируемой секции обозначены:

, , - при частоте вращения n;

, , -при частоте вращения n’ < n

Суммарная ЭДС коммутируемой секции

Рисунок 5.5

Суммарная ЭДС, изменяется не только по величине, но по направлению (фазе). А это затрудняет сведение её к нулю даже в случае применения дополнительных полюсов и компенсационных обмоток. Но дополнительные полюса и компенсационная обмотка в переменном токе не применяются т.к. они значительно усложняют конструкцию машины

Достоинства:

1) возможность получения любой частоты вращения при f=50Гц

2) плавное, широкое и экономичное регулирование частоты вращения.

Недостаток:

Коллекторные двигатели являются источником шума и радиопомех.

Дата добавления: 2014-01-13