Двигатель постоянного тока

Принцип работы

Двигатели постоянного тока

На статоре находится индукторная обмотка (обмотка возбуждения), на которую подаётся постоянный ток — в результате создаётся постоянное магнитное поле (поле возбуждения). В двигателях с постоянными магнитами поле возбуждения создаётся постоянными магнитами.

В обмотку ротора (якорная обмотка) также подаётся постоянный ток, на который со стороны магнитного поля статора действует сила Ампера — создаётся вращающий момент, который поворачивает ротор на 90 электрических градусов, после чего щёточно-коллекторный узел коммутирует обмотки ротора – вращение продолжается.

По способу возбуждения двигатели постоянного тока делятся на четыре группы:

• С независимым возбуждением — обмотка возбуждения питается от независимого источника
• С параллельным возбуждением — обмотка возбуждения включается параллельно источнику питания обмотки якоря
• С последовательным возбуждением — обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря
• Со смешанным возбуждением — у двигателя есть две обмотки: параллельная и последовательная.

Пуск двигателя постоянного тока

При прямом пуске ток якоря может на порядок превышать номинальный, поэтому при пуске в цепь якоря вводится пусковое сопротивление пусковой реостат. Для плавного пуска реостат делают ступенчатым — в первый момент включаются все ступени (максимальное сопротивление), по мере разгона двигателя растёт противо-ЭДС, ток якоря уменьшается — ступени выключаются одна за другой.

Регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока

• Скорость ниже номинальной регулируется напряжением на якоре (мощность при этом пропорциональна скорости, момент неизменен)
• Скорость выше номинальной регулируется током обмотки возбуждения — чем слабее поле возбуждения, тем выше скорость (момент падает при постоянной мощности)

Регулирование питания якоря и обмотки возбуждения осуществляется с помощью тиристорных преобразователей (приводов постоянного тока).

Преимущества и недостатки двигателей постоянного тока

Преимущества:

• Практически линейные характеристики двигателя:
  • механическая характеристика (зависимость частоты от момента)
  • регулировочная характеристика (зависимость частоты от напряжения якоря)
• Просто регулировать частоту вращения в широких пределах
• Большой пусковой момент
• Компактный размер.

Недостатки:

• Дополнительные расходы на профилактическое обслуживание коллекторно-щёточных узлов
• Ограниченный срок службы из-за износа коллектора
• Дороже асинхронных двигателей.

Как выбрать

Выбор двигателя постоянного тока

• Высота оси
• Номинальное напряжение якоря
• Номинальное напряжение возбуждения
• Номинальная частота вращения
• Номинальная мощность
• Номинальный момент
• Номинальный ток якоря
• Мощность возбуждения
• Максимальная частота вращения при понижении поля (выше этой скорости падает мощность)
• Предельно допустимая рабочая скорость (выше этой скорости начинается механическое разрушение)
• КПД
• Момент инерции
• Степень защиты IP
• Степень виброустойчивости (прессы и т.п.)
• Класс изоляции (для работы от преобразователя не ниже F)
• Температура окружающей среды (для работы при отрицательных температурах в условиях русской зимы требуется специальное исполнение: смазка, вал из специальной стали и т.п.)
• Высота установки над уровнем моря (выше 1000 метров падают характеристики)
• Конструктивное исполнение по способу монтажа электродвигателей
  • Маслоуплотнённый фланец для присоединения редуктора
• Положение клеммной коробки (справа, сверху и т.д.)
• Тип принудительного охлаждения:
  • Конвекционное: воздушный фильтр, контроль расхода воздуха, встроенный (направление обдува) или внешний (подключение труб) вентилятор
  • Через теплообменник
• Классификация методов охлаждения электрических двигателей
• Окраска
• Подшипники
  • Качения (радиально-упорные)
  • Усиленные подшипники для повышенных радиальных нагрузок на валу
  • С пополнением смазки
  • Для подключения редуктора
• Вал двигателя
  • Со шпоночным пазом
• Датчик скорости
  • Тахогенератор
  • Энкодер
• Тормоз
• Контроль износа щёток
  • Окошко для визуального контроля
  • Микропереключатель ограничения остаточной длины щёток
• Контроль нагрева двигателя
  • Термисторная защита – контроль граничных значений (предупреждение, отключение)
  • Непрерывный контроль температуры при помощи датчика KTY
• Подогрев остановленного двигателя (против образования конденсата)
• Уровень шума.

Выбор преобразователя постоянного тока

• Режим работы:
  • Одноквадрантный (1Q) — нереверсивный
  • Четырёхквадрантный (4Q) — реверсивный.
• Номинальное напряжение питания сети
• Номинальный входной ток
• Напряжение питания (отдельное)
  • Вентилятора
  • Блока управления (электроники)
  • Возбуждения
• Температура окружающей среды
• Высота установки над уровнем моря
• Класс влагостойкости (покрытие плат компаундом)
• Степень защиты IP
• ЭМС-фильтр (фильтр радиопомех).
• Номинальное постоянное напряжение (якоря двигателя)
• Номинальный постоянный ток якоря
• Перегрузочная способность по току
• Номинальная мощность
• Мощность потерь (рассеиваемая мощность) при номинальном токе
• Номинальное постоянное напряжение обмотки возбуждения (напряжение поля)
• Номинальный постоянный ток обмотки возбуждения (ток поля)
• Панель оператора (съёмная, хранение параметров, поддержка русского языка)
• Коммуникационный интерфейс для обмена данными с PLC, HMI (PROFIBUS и др.)
• Точность регулирования
• Встроенные ПИД-регуляторы
• Встроенные функции логического контроллера
• Сигнальные (дискретные и аналоговые) входы-выходы.

© Туманов А.В. 2016-2017

Как работает двигатель постоянного тока

Подавляющее большинство электрических машин работает по принципу магнитного отталкивания и притяжения. Если между северным и южным полюсами магнита поместить проволоку и пропустить по ней ток, то её вытолкнет наружу. Как это возможно? Дело в том, что проходя по проводнику, ток формирует вокруг себя круговое магнитное поле по всей длине провода. Направление этого поля определяют по правилу буравчика (винта). При взаимодействии кругового поля проводника и однородного поля магнита, между полюсами магнитное поле с одной стороны ослабевает, а с другой усиливается. То есть среда становится упругой и результирующая сила выталкивает провод из поля магнита под углом 90 градусов в направлении, определяемом по правилу левой руки (правило правой руки используется для генераторов, а правило левой руки подходит только для двигателей). Эта сила называется «амперовой» и её величина определяется по закону Ампера F=BхIхL, где В – значение магнитной индукции поля; I – ток, циркулирующий в проводнике; L – длина провода.

Это явление использовали как основной принцип работы первых электродвигателей, этот же принцип используют и поныне. В двигателях постоянного тока малой мощности для создания постоянного магнитного поля применяются постоянные магниты. В электромоторах средней и большой мощности однородное магнитное поле создают с помощью обмотки возбуждения или индуктора.

Рассмотрим принцип создания механического движения с помощью электричества более подробно. На динамической иллюстрации показан простейший электромотор. В однородном магнитном поле вертикально располагаем проволочную рамку и пропускаем по ней ток. Что происходит? Рамка проворачивается и по инерции двигается какое-то время до достижения горизонтального положения. Это нейтральное положение – мёртвая точка — место, где воздействие поля на проводник с током равно нулю. Чтобы движение продолжилось, нужно добавить ещё хотя бы одну рамку и обеспечить переключение направление тока в рамке в нужный момент. На обучающем видео внизу страницы хорошо виден этот процесс.

Принцип действия современных электродвигателей

Современный двигатель постоянного тока вместо одной рамки имеет якорь с множеством проводников, уложенных в пазы, а вместо постоянного подковообразного магнита имеет статор с обмоткой возбуждения с двумя и более полясами. На рисунке показан двухполюсный электромотор в разрезе. Принцип его работы следующий. Если по проводам верхней части якоря пропустить ток движущийся «от нас» (отмечено крестиком), а в нижней части — «на нас» (отмечено точкой), то согласно правилу левой руки верхние проводники будут выталкиваться из магнитного поля статора влево, а проводники нижней половины якоря по тому же принципу будут выталкиваться вправо. Поскольку медный провод уложен в пазах якоря, то, вся сила воздействия будет передаваться и на него, и он будет проворачиваться. Дальше видно, что когда проводник с направлением тока «от нас» провернётся вниз и станет против южного полюса создаваемого статором, то он будет выдавливаться в левую сторону, и произойдёт торможение. Чтобы этого не случилось нужно поменять направление тока в проводе на противоположное, как только будет пересечена нейтральная линия. Это делается с помощью коллектора – специального переключателя, коммутирующего обмотку якоря с общей схемой электродвигателя.

Таким образом, обмотка якоря передаёт вращающий момент на вал электромотора, а тот в свою очередь приводит в движение рабочие механизмы любого оборудования, такого как, например, станок для сетки рабицы. Хотя в этом случае используется асинхронный двигатель переменного тока, основной принцип его работы идентичен принципу действия двигателя постоянного тока – это выталкивание проводника с током из магнитного поля. Только у асинхронного электромотора вращающееся магнитное поле, а у электродвигателя постоянного тока – поле статичное.

Продолжая тему двигателя постоянного тока нужно отметить, что принцип действия электродвигателя основывается на инвертировании постоянного тока в якорной цепи, чтобы не было торможения, и вращение ротора поддерживалось в постоянном ритме. Если изменить направление тока в возбуждающей обмотке статора, то, согласно правилу левой руки, изменится направление вращения ротора. То же самое произойдёт, если мы поменяем местами щёточные контакты, подводящие питание от источника к якорной обмотке. А вот если поменять «+» «-» и там и там, то направление вращения вала не изменится. Поэтому, в принципе, для питания такого мотора можно использовать и переменный ток, т.к. ток в индукторе и якоре будет меняться одновременно. На практике такие устройства используются редко.

Что касается электрической схемы включения двигателя, то их несколько и они показаны на рисунке. При параллельном соединении обмоток, обмотка якоря делается из большого количества витков тонкой проволоки. При таком подключении коммутируемый коллектором ток будет значительно меньше из-за большого сопротивления и пластины не будут сильно искрить и выгорать. Если делать последовательное соединение обмоток индуктора и якоря, то обмотка индуктора делается из провода большего диаметра с меньшим количеством витков, т.к. весь якорный ток устремляется через статорную обмотку. При таких манипуляциях с пропорциональным изменением значений тока и количества витков, намагничивающая сила остаётся постоянной, а качественные характеристики устройства становятся лучше.

На сегодняшний день двигатели постоянного тока мало используются на производстве. Из недостатков этого типа электрических машин можно отметить быстрый износ щёточно-коллекторного узла. Преимущества – хорошие характеристики запуска, лёгкая регулировка частоты и направления вращения, простота устройства и управления.

Двигатель постоянного тока работа

Двигатели постоянного тока (ДПТ), используются для превращения энергии постоянного тока в механическую работу. ДПТ был первой из всех изобретенных вращающихся электромашин. Принцип его действия известен с середины прошлого столетия, и до настоящего времени ДПТ продолжают верно служить человеку, приводя в движение огромное количество машин и механизмов.

Двигатель постоянного тока — историческая справка

В 1821 году Фарадей, проводя эксперименты при взаимодействии проводников с током и магнитом, увидел, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита. Таким образм, опыт Фарадея подготовил почву для создания электрического двигателя. Немногим позже, Томас Дэвенпортв 1833 году изготовил первый роторный электродвигатель постоянного тока, и реализовал его при движении модель поезда. Годом позже, Б. С. Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока, в котором был использован принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. А уже 13 сентября 1838 г в Российской империи первая моторная лодка с 12 пассажирами поплыла по Неве против течения. Колеса с лопостями приводились во вращение электрическим двигателем, который получал ток от батареи из 320 элементов.

В 1886 году электродвигатель постоянного тока стал похож на современные варианты. В дальнейшем он всё более и более модернизировался.

Сегодня жизнь нашей техноргенной цивиализации совершенно невозможна без электродвигателя. Он используется практически везде: в поездах, троллейбусах, трамваях. На заводах и фабриках используются мощные электрические станки, приборы бытовой техники (Электромясорубки, кухонные комбайны, кофемолки, пылесосы) и т.п

Двигатель постоянного тока принцип работы

Подавляющее большинство электродвигателей работает в соответствии с физикой магнитного отталкивания и притяжения. Если между северным и южным полюсами магнита поместить проволоку и пропустить по ней электрический ток, то ее начнет выдавливать наружу.Т.к когда ток течет по проводнику. он формирует вокруг себя кмагнитное поле по всей длине проводника. Направление этого поля можно узнать по правилу буравчика.

При взаимодействии кругового магнитного поля проводника и однородного поля магнита, между полюсами поле с одной стороны уменьшается, а с другой увеличивается. То есть среда результирующая сила выталкивает провод из поля магнита под углом 90 градусов в направлении, в соответствии с правилом левой руки. а величина вычисляется по формуле

где В – значение магнитной индукции поля; I – ток, циркулирующий в проводнике; L – длина провода

В электродвигателях постоянного тока малой мощности для создания постоянного магнитного поля используются типовые постоянные магниты. В случае средней и большой мощности однородное магнитное поле генерируют с помощью обмотки возбуждения.

Рассмотрим процесс получения механического движения с помощью электричества более подробно. В однородном магнитном поле вертикально разместим проволочную рамку и подключим ее к источнику тока. Рамка начнет проворачивается и достигает горизонтального положения. Которое считается нейтральным, т.к в нем воздействие поля на проводник с током равно нулю. Чтобы движение не останавливалось, нужно поместить ещё хотя бы одну рамку с током и обеспечить переключение направления движения тока в необходимый момент.

Типичный двигатель вместо одной рамки имеет якорь с множеством проводников, уложенных в специальные пазы, а вместо постоянного магнита — статор с обмоткой возбуждения с двумя и более полюсами. На рисунке чуть выше показан двухполюсный электромотор в разрезе. Если по проводам верхней части якоря пропустить ток движущийся «от нас», а в нижней части — «на нас», то в соответствии с правилом левой руки верхние проводники будут выдавливаться из магнитного поля статора влево, а нижней части якоря — выталкиваться вправо. Т.к медный провод размещен в специальных в пазах якоря, то, вся сила будет переходить и на него, и он будет крутиться. Поэтому, когда проводник с направлением тока «от нас» окажется внизу и станет против южного полюса создаваемого статором, то он будет выдавливаться в левую сторону, и начнется торможение. Чтобы этого избежать требуется поменять направление тока на обратное, в тот момент когда будет пройдена нейтральная линия. Это осуществляется с помощью коллектора – специального переключателя, коммутирующего обмотку якоря с схемой.

Итак, обмотка якоря передает вращающий момент на вал движка постоянного тока, а тот приводит в движение рабочие механизмы. Конструктивно все двигатели состоят из индуктора и якоря, разделенных воздушным промежутком.

Статор электродвигателя служит для создания неподвижного магнитного поля и состоит из станины, главных и добавочных полюсов. Станина предназначена для крепления основных и добавочных полюсов и служит элементом магнитной цепи. На главных полюсах имеются обмотки возбуждения, используемые для создания магнитного поля, на добавочных полюсах расположена специальная обмотка, используемая для улучшения условий коммутации.

Якорь ЭД постоянного тока состоит из магнитной системы, сделанной из отдельных листов, рабочей обмотки, уложенной в специальные пазы, и коллектора для подвода к рабочей обмотке питания.

Коллектор похож на цилиндр, насаженный на вал ЭД и сделанный из изолированных друг от друга медных пластин. На коллекторе находятся специальные выступы-петушки, к которым припаяны концы секций обмотки. Съем тока с коллектора происходит с помощью щеток, обеспечивающих скользящий контакт с коллектором. Щетки находятся в щеткодержателях, которые удерживают их в определенном положении и создают требуемое нажатие на поверхность коллектора. Щетки и щеткодержатели крепятся на траверсе и связанны с корпусом.

Коллектор сложный, дорогой и самый ненадежный узел ЭД. Он часто искрит, создает помехи, забивается пылью от щеток. А при большой нагрузке может все закоротить наглухо. Его главная задача переключать напряжение якоря туда сюда.

Чтобы лучше понять работу коллектора сообщим рамке вращательное движение в направлении по часовой стрелке. В момент, когда рамка займет положение, А, в ее проводниках будет индуктироваться максимальный по величине ток, так как проводники пересекают магнитные силовые линии, двигаясь перпендикулярно к ним.

Индуктированный ток из проводника В, соединенного с пластиной 2, следует на щетку 4 и, проходя внешнюю цепь, через щетку 3 возвращается в проводник А. При этом правая щетка будет положительной, а левая отрицательной.

Дальнейший поворот рамки (положение В) приведет снова к индуктированию тока в обоих проводниках; однако направление тока в проводниках будет противоположно тому, которое они имели в положении А. Так как вместе с проводниками повернутся и коллекторные пластины, то щетка 4 снова будет отдавать электрический ток во внешнюю цепь, а по щетке 3 ток будет возвращаться в рамку.

Поэтому, несмотря на изменение направления тока в самих вращающихся проводниках, благодаря переключению, направление тока во внешней цепи не изменилось.

В следующий момент (Г), рамка вторично займет положение на нейтральной линии, в проводниках и, во внешней цепи тока опять не будет.

В последующие временные интервалы рассмотренный цикл движений будет повторяться в той же последовательности, т.о, направление тока во внешней цепи благодаря коллектору все время будет оставаться постоянным, а вместе с этим сохраняеться и полярность щеток.

Щеточный узел используется для подвода питания к катушкам на вращающемся роторе и переключения тока в обмотках. Щетка это неподвижный контакт. Они с большой частотой размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора. Для уменьшения искрения последних используют различные способы, основным из которых является использование добавочных полюсов.

С ростом разгона начинается следующий процесс, обмотка якоря двигаясь поперек магнитного поля статора и наводит в нем ЭДС. но направлена она встречно той, что вращает ЭД. И в результате, ток через якорь резко уменьшается и тем сильнее, чем больше скорость.

Схемы включения двигателя. При параллельном соединении обмоток, обмотка якоря изготавливается из большого количества витков тонкой проволоки. Тогда коммутируемый коллектором ток будет ниже и пластины не будут сильно искрить. Если выполнить последовательное соединение обмоток статора и якоря, то обмотка индуктора выполняется проводником большего диаметра с меньшим количеством витков. Поэтому, намагничивающая сила остаётся постоянной, а характеристики ЭД увеличиваются.

Недостатками ЭД постоянного тока можно считать быстрый износ щеточно-коллекторного узла. Достоинства – хорошие характеристики запуска, простая регулировка частоты и направления вращения.

Обмотка возбуждения двигателя постоянного тока

Наличие обмотки возбуждения у двигателя постоянного тока дает возможность реализовывать различные схемы подключения. В зависимости от того каким образом соединена обмотка возбуждения (ОВ), бывают двигатели постоянного тока с независимым возбуждением, и с самовозбуждением, которое, в свою очередь разделяется на последовательное, параллельное и смешанное.

Пуск двигателя постоянного тока

Пуск двигателей постоянного тока осложнен возникающими в момент старта огромными значениями моментов и пусковых токов. В ДПТ пусковые токи могут превышать номинальные в 10-40 раз. Такое сильное превышение может легко сжечь обмотки. Поэтому токи при пуске стараются ограничить до уровня (1,5-2) Iн

Асинхронный двигатель. Устройство и принцип работы

Работа асинхронного двигателя основана на принципах физического взаимодействия магнитного поля, появляющегося в статоре, с током, который это же поле генерирует в роторной обмотке.

Cинхронный двигатель. Принцип работы

Синхронный двигатель – это разновидность электродвигателей, только работающих от переменного напряжения, при этом частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного поля. Именно поэтому она остается постоянной вне зависимости от нагрузки, т.к ротор синхронного двигателя – это обычный электромагнит и его, количество пар полюсов совпадает с числом пар полюсов у вращающегося магнитного поля. Поэтому взаимодействие этих полюсов обеспечивает постоянство угловой скорости, с которой крутится ротор.

Схемы управление электродвигателями

Электродвигатели устройства для преобразования электрической энергии в механическую и наоборот, но это уже генераторы. Существует огромное разнобразие типов электромоторов, поэтому и схем управления электродвигателями существует великое множество. Рассмотрим некоторые из них

Устройство и принцип действия электродвигателя постоянного тока

В основе принципа работы электродвигателя постоянного тока лежит эффект отталкивания одноименных полюсов постоянных магнитов и притягивания разноименных. Приоритет ее изобретения принадлежит русскому инженеру Б. С. Якоби. Первая промышленная модель двигателя постоянного тока была создана в 1838 году. С тех пор его конструкция не претерпела кардинальных изменений.

В двигателях постоянного тока небольшой мощности один из магнитов является физически существующим. Он закреплен непосредственно на корпусе машины. Второй создается в обмотке якоря после подключения к ней источника постоянного тока. Для этого используется специальное устройство – коллекторно-щеточный узел. Сам коллектор – это токопроводящее кольцо, закрепленное на валу двигателя. К нему подключены концы обмотки якоря.

Чтобы возник вращающий момент, необходимо непрерывно менять местами полюса постоянного магнита якоря. Происходить это должно в момент пересечения полюсом так называемой магнитной нейтрали. Конструктивно такая задача решается разделением кольца коллектора на секторы, разделенные диэлектрическими пластинами. Концы обмоток якоря присоединяются к ним поочередно.

Чтобы соединить коллектор с питающей сетью используются так называемые щетки – графитовые стержни, имеющие высокую электрическую проводимость и малый коэффициент трения скольжения.

В двигателях большой мощности физически существующих магнитов не используют из-за их большого веса. Для создания постоянного магнитного поля статора используется несколько металлических стержней, каждый из которых имеет собственную обмотку из проводника, подключенного к плюсовой или минусовой питающей шине. Одноименные полюса включаются последовательно друг другу.

Количество пар полюсов на корпусе двигателя может быть равно одной или четырем. Число токосъемных щеток на коллекторе якоря должно ему соответствовать.

Электродвигатели большой мощности имеют ряд конструктивных хитростей. Например, после запуска двигателя и с изменением нагрузки на него, узел токосъемных щеток сдвигается на определенный угол против вращения вала. Так компенсируется эффект «реакции якоря», ведущий к торможению вала и снижению эффективности электрической машины.

Также существует три схемы подключения двигателя постоянного тока:

• с параллельным возбуждением;
• последовательным;
• смешанным.

Параллельное возбуждение – это когда параллельно обмотке якоря включается еще одна независимая, обычно регулируемая (реостат).

Такой способ подключения позволяет очень плавно регулировать скорость вращения и достигать ее максимальной стабильности. Его используют для питания электродвигателей станков и кранового оборудования.

Последовательная – в цепь питания якоря дополнительная обмотка включена последовательно. Такой тип подключения используется для того, чтобы в нужный момент резко нарастить вращающее усилие двигателя. Например, при трогании с места железнодорожных составов.

Двигатели постоянного тока имеют возможность плавной регулировки частоты вращения, поэтому их применяют в качестве тяговых на электротранспорте и грузоподъемном оборудовании.

Двигатели переменного тока — в чем отличие?

Устройство и принцип работы электродвигателя переменного тока для создания крутящего момента предусматривают использование вращающегося магнитного поля. Их изобретателем считается русский инженер М. О. Доливо-Добровольский, создавший в 1890 году первый промышленный образец двигателя и являющийся основоположником теории и техники трехфазного переменного тока.

Вращающееся магнитное поле возникает в трех обмотках статора двигателя сразу, как только они подключаются к цепи питающего напряжения. Ротор такого электромотора в традиционном исполнении не имеет никаких обмоток и представляет собой, грубо говоря, кусок железа, чем-то напоминающий беличье колесо.

Магнитное поле статора провоцирует возникновение в роторе тока, причем очень большого, ведь это короткозамкнутая конструкция. Этот ток вызывает возникновение собственного поля якоря, которое «сцепляется» с вихревым магнитным потом статора и заставляет вращаться вал двигателя в том же направлении.

Магнитное поле якоря имеет ту же скорость, что и статора, но отстает от него по фазе примерно на 8–100. Именно поэтому двигатели переменного тока называются асинхронными.

Принцип действия электродвигателя переменного тока с традиционным, короткозамкнутым ротором, имеет очень большие пусковые токи. Вероятно, многие из вас это замечали – при пуске двигателей лампы накаливания меняют яркость свечения. Поэтому в электрических машинах большой мощности применяется фазный ротор – на нем уложены три обмотки, соединенные «звездой».

Обмотки якоря не подключены к питающей сети, а посредством коллекторно-щеточного узла соединены с пусковым реостатом. Процесс включения такого двигателя состоит из соединения с питающей сетью и постепенного уменьшения до нуля активного сопротивления в цепи якоря. Электромотор включается плавно и без перегрузок.

Особенности использования асинхронных двигателей в однофазной цепи

Несмотря на то, что вращающееся магнитное поле статора проще всего получить от трехфазного напряжения, принцип действия асинхронного электродвигателя позволяет ему работать и от однофазной, бытовой сети, если в их конструкцию будут внесены некоторые изменения.

Для этого на статоре должно быть две обмотки, одна из которой является «пусковой». Ток в ней сдвигается по фазе на 90° за счет включения в цепь реактивной нагрузки. Чаще всего для этого используется конденсатор.

Запитать от бытовой розетки можно и промышленный трехфазный двигатель. Для этого в его клеммной коробке две обмотки соединяются в одну, и в эту цепь включается конденсатор. Исходя из принципа работы асинхронных электродвигателей, запитанных от однофазной цепи, следует указать, что они имеют меньший КПД и очень чувствительны к перегрузкам.

Электродвигатели этого типа легко запускаются, но частоту их вращения практически невозможно регулировать. Они чувствительны к перепадам напряжения, а при «недогрузе» снижают коэффициент полезного действия, становясь источником непропорционально больших затрат электроэнергии. При этом существуют методы использования асинхронного двигателя как генератор.

Универсальные коллекторные двигатели — принцип работы и характеристики

В бытовых электроинструментах малой мощности, от которых требуются малые пусковые токи, большой вращающий момент, высокая частота вращения и возможность ее плавной регулировки, используются так называемые универсальные коллекторные двигатели. По своей конструкции они аналогичны двигателям постоянного тока с последовательным возбуждением.

В таких двигателях магнитное поле статора создается за счет питающего напряжения. Только немного изменена конструкция магнитопроводов – она не литая, а наборная, что позволяет уменьшать перемагничивание и нагрев токами Фуко. Последовательно включенная в цепь якоря индуктивность дает возможность менять направление магнитного поля статора и якоря в одном направлении и в той же фазе.

Практически полная синхронность магнитных полей позволяет двигателю набирать обороты даже при значительных нагрузках на валу, что и требуется для работы дрелей, перфораторов, пылесосов, «болгарок» или полотерных машин.

Если в питающую цепь такого двигателя включен регулируемый трансформатор, то частоту его вращения можно плавно менять. А вот направление, при питании от цепи переменного тока, изменить не удастся никогда.

Такие электромоторы способны развивать очень высокие обороты, компактны и имеют больший вращающий момент. Однако наличие коллекторно-щеточного узла снижает их моторесурс – графитовые щетки достаточно быстро истираются на высоких оборотах, особенно если коллектор имеет механические повреждения.

Электродвигатели имеют самый большой КПД (более 80 %) из всех устройств, созданных человеком. Их изобретение в конце XIX века вполне можно считать качественным цивилизационным скачком, ведь без них невозможно представить жизнь современного общества, основанного на высоких технологиях, а чего-либо более эффективного пока еще не придумано.

Электродвигатели, работающие на постоянном токе, используются не так часто, как двигатели переменного тока. Ниже приведем их достоинства и недостатки.

Достоинства	Недостатки
частота вращения легко регулируется	высокая стоимость
мягкий пуск и плавный разгон	сложность конструкции
получение частоты вращения выше 3000 об/мин	сложность в эксплуатации

В быту двигатели постоянного тока нашли применение в детских игрушках, так как источниками для их питания служат батарейки. Используются они на транспорте: в метрополитене, трамваях и троллейбусах, автомобилях. На промышленных предприятиях электродвигатели постоянного тока применяются в приводах агрегатов, для бесперебойного электроснабжения которых используются аккумуляторные батареи.

Конструкция и обслуживание двигателя постоянного тока

Основной обмоткой двигателя постоянного тока является якорь, подключающийся к источнику питания через щеточный аппарат. Якорь вращается в магнитном поле, создаваемом полюсами статора (обмотками возбуждения). Торцевые части статора закрыты щитами с подшипниками, в которых вращается вал якоря двигателя. С одной стороны на этом же валу установлен вентилятор охлаждения, прогоняющий поток воздуха через внутренние полости двигателя при его работе.

Схема двигателя постоянного тока

Щеточный аппарат – уязвимый элемент в конструкции двигателя. Щетки притираются к коллектору, чтобы как можно точнее повторять его форму, прижимаются к нему с постоянным усилием. В процессе работы щетки истираются, токопроводящая пыль от них оседает на неподвижных частях, ее периодически нужно удалять. Сами щетки нужно иногда перемещать в пазах, иначе они застревают в них под действием той же пыли и «зависают» над коллектором. Характеристики двигателя зависит еще и от положения щеток в пространстве в плоскости вращения якоря.

Со временем щетки изнашиваются и заменяются. Коллектор в местах контакта со щетками тоже истирается. Периодически якорь демонтируют и протачивают коллектор на токарном станке. После протачивания изоляция между ламелями коллектора срезается на некоторую глубину, так как она прочнее материала коллектора и при дальнейшей выработке будет разрушать щетки.

Схемы включения двигателя постоянного тока

Наличие обмоток возбуждения – отличительная особенность машин постоянного тока. От способов их подключения к сети зависят электрические и механические свойства электродвигателя.

Независимое возбуждение

Обмотка возбуждения подключается к независимому источнику. Характеристики двигателя получаются такие же, как у двигателя с постоянными магнитами. Скорость вращения регулируется сопротивлением в цепи якоря. Регулируют ее и реостатом (регулировочным сопротивлением) в цепи обмотки возбуждения, но при чрезмерном уменьшении его величины или при обрыве ток якоря возрастает до опасных значений. Двигатели с независимым возбуждением нельзя запускать на холостом ходу или с малой нагрузкой на валу. Скорость вращения резко увеличится, и двигатель будет поврежден.

Схема независимого возбуждения

Остальные схемы называют схемами с самовозбуждением.

Параллельное возбуждение

Обмотки ротора и возбуждения подключаются параллельно к одному источнику питания. При таком включении ток через обмотку возбуждения в несколько раз меньше, чем через ротор. Характеристики электродвигателей получаются жесткими, позволяющие использовать их для привода станков, вентиляторов.

Регулировка скорости вращения обеспечивается включением реостатов в цепь ротора или последовательно с обмоткой возбуждения.

Схема параллельного возбуждения

Последовательное возбуждение

Обмотка возбуждения включается последовательно с якорной, по ним течет один и тот же ток. Скорость такого двигателя зависит от его нагрузки, его нельзя включать на холостом ходу. Но он обладает хорошими пусковыми характеристиками, поэтому схема с последовательным возбуждением применяется на электрифицированном транспорте.

Схема последовательного возбуждения

Смешанное возбуждение

При этой схеме используются две обмотки возбуждения, расположенные попарно на каждом из полюсов электродвигателя. Их можно подключить так, чтобы потоки их либо складывались, либо вычитались. В результате двигатель может иметь характеристики как у схемы последовательного или параллельного возбуждения.

Схема смешанного возбуждения

Для изменения направления вращения изменяют полярность одной из обмоток возбуждения. Для управления пуском электродвигателя и скоростью его вращения применяют ступенчатое переключение сопротивлений.

Оцените качество статьи. Нам важно ваше мнение:

БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

Если в обмотке якоря и обмотке возбуждения машины постоянного тока пропускать постоянный ток, то машина придет во вращение, т. е. будет работать как двигатель.
Вращение ротора машины объясняется возникновением под влиянием магнитного поля механических сил, действующих на проводники с током обмотки якоря.
Направление механических сил, действующих на проводники, определяется правилом левой руки. Механические силы, действующие на проводники с током в магнитном поле, создают вращающий момент М (поворачивающий ротор).
Этот вращающий момент пропорционален магнитному потоку одного полюса Ф и силе тока I в якоре. Если k — коэффициент пропорциональности, зависящий от конструктивных данных машины, то М = kФI.
При работе электродвигателя его якорь вместе с проводниками обмотки вращается в магнитном поле. При этом проводники обмотки якоря пересекают магнитные линии. Согласно закону электромагнитной индукции в проводниках индуктируется э. д. с.
В соответствии с правилом правой руки индуктируемая в обмотке якоря при работе электродвигателя э. д. с. направлена навстречу току, а следовательно, и навстречу напряжению сети.
Поэтому э. д. с. электродвигателя называют обратной, или противо-э. д. с. — п. э. д. с. Величина п. э. д. с. двигателя определяется той же формулой, что и э. д. с. генератора,

Обратная э. д. с. уравновешивает напряжение, приложенное к зажимам двигателя, следовательно, мощность, расходуемая на преобразование электрической энергии в механическую, равна произведению обратной э. д. с. на силу тока, т. е. Р = ЕI.
Определим ток в якоре двигателя. Если двигатель питается током от сети, напряжение в которой равно U, и развивается п. э. д. с. Е, а сопротивление якоря двигателя равно rя, то ток в якоре
Так как сопротивление rя обмотки очень мало, а при пуске якорь еще не вращается и Е = 0, то ток при пуске двигателя Iя = U / rя может достигать чрезмерно больших значений, угрожающих целости якоря.
Обычно в момент пуска последовательно с якорем вводят дополнительное сопротивление — пусковой реостат (рис. 1), уменьшаемое по мере раскручивания двигателя, т. е. по мере увеличения п. э. д. с. Е. На рисунке справа показано условное обозначение реостата, слева цифрами 0, 1, 2, 3, 4, 5 обозначены клеммы. Начальное сопротивление rп пускового реостата выбирают таким, чтобы ток при пуске не превосходил значений, обеспечивающих целость якоря.
При включении пускового реостата ток в момент пуска
Сопротивление пускового реостата обычно выбирают таким, чтобы ток в момент пуска был равен 2,5—3 Iн, где Iн — ток в двигателе при полной нагрузке.
При отключении электродвигателя от сети он останавливается не сразу. В течение некоторого времени продолжается по инерции вращение двигателя и движение приводимого механизма. Для некоторых механизмов (грузовая лебедка, брашпиль и т. п.) задержка остановки является опасной. В этом случае, кроме механического торможения, осуществляемого тормозными колодками какого-либо тормоза, применяют также электрическое торможение — особый режим работы двигателя, при котором механические силы, действующие на его обмотки, препятствуют вращению ротора двигателя, т. е. останавливают двигатель.
Электрическое торможение производится:
а) включением реостата в цепь отключенного от сети электродвигателя (реостатное торможение, называемое также динамическим);
б) переменой направления тока в якоре, не отключаемого от сети электродвигателя (торможение обратным током-противотоком);
в) путем возврата двигателем электроэнергии в сеть, когда противоэлектродвижущая сила двигателя, остающегося приключенным к сети, но вращаемого не током, а внешней механической силой (например, весом опускаемого лебедкой груза), становится больше напряжения сети и электродвигатель начинает работать генератором, отдавая ток в сеть.
Реостатное торможение основано на том, что отключенный от сети электродвигатель, продолжая по инерции вращаться, работает в режиме генератора. Поэтому, если мы нагрузим этот генератор, замкнув его обмотку на какое-либо сопротивление, то запасенная в движущихся частях механизма энергия быстро израсходуется в нагрузке генератора, т. е. будет поглощена при нагреве сопротивления (реостата), и двигатель быстро остановится.
Применение торможения противотоком основано на том, что двигатель не отключается от сети, а лишь меняется направление приложенного напряжения сети. Двигатель переходит на режим работы генератора, и запасенная в движущихся частях механизма энергия превращается в тепловую. Для уменьшения величины тока, отдаваемого электродвигателем при торможении, в его цепь включают дополнительное сопротивление.

Особенность торможения с возвратом (рекуперацией) электроэнергии состоит в том, что при таком способе торможения электроэнергия, вырабатываемая двигателем, работающим в режиме генератора, поступает в сеть и может быть использована.
Поэтому такой способ торможения называют иногда полезным торможением.
Применимость того или иного способа торможения для различных типов двигателя будет разъяснена ниже.
В некоторых случаях условия работы приводного механизма требуют регулирования скорости вращения или изменения направления вращения (реверсирования) электродвигателя.
Обратимся к формуле для э. д. с. электродвигателя
Из этой формулы следует, что число оборотов электродвигателя зависит от напряжения питающей сети, сопротивления в цепи якоря и величины магнитного потока электродвигателя.Эта зависимость определяет три возможных способа регулировки скорости вращения электродвигателя.
При регулировке оборотов изменением напряжения сети для питания электродвигателя необходим специальный генератор с широким диапазоном регулирования напряжения. Такая система регулирования носит название системы генератор-электродвигатель (система Вард-Леонарда) и более подробно будет рассмотрена дальше. Пока отметим, что при этом способе возможна регулировка числа оборотов как вниз, так и вверх от номинальных (т. е. от оборотов, развиваемых электродвигателем при полной нагрузке и обозначаемых на щитке электродвигателя).
Включением в цепь якоря электродвигателя добавочного сопротивления (реостата) можно снизить число оборотов электродвигателя против номинальных. Такой способ регулирования требует громоздких реостатов, рассчитанных на полный ток якоря, и связан со значительными потерями мощности в последних. Эти обстоятельства обусловливают низкую экономичность регулирования оборотов методом добавочного сопротивления в цепи якоря.
Для уменьшения магнитного потока электродвигателя в цепь обмотки возбуждения включают регулировочный реостат. Вводя в цепь возбуждения необходимое число ступеней реостата, мы понижаем ток возбуждения и уменьшаем магнитный поток; при этом уменьшается противоэлектродвижущая сила, растет ток в якоре и якорь двигателя начинает вращаться быстрее.
Так как величина тока в цепи возбуждения невелика (2—3% от величины тока в якоре), то и регулировочный реостат, необходимый для ее изменения, получается небольшим и дешевым. Кроме того, незначительна и потеря в нем электроэнергии, превращающейся в тепло. Поэтому данный способ регулирования скорости является достаточно экономичным.
Чрезмерно уменьшать ток возбуждения нельзя, так как, с одной стороны, скорость вращения может увеличиться до значений, опасных для механической целости якоря, а с другой, с уменьшением потока уменьшается вращающий момент, развиваемый электродвигателем, и его работа становится неустойчивой.
Для изменения направления вращения электродвигателя надо изменить направление тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке возбуждения.
При одновременном изменении направления тока в обеих обмотках, что легко проверить по правилу левой руки, направление вращения не изменится.
Классификация и свойства двигателей постоянного тока
В зависимости от способа соединения обмотки возбуждения различают двигатели возбуждения:
а) параллельного;
б) последовательного;
в) смешанного.
Свойства электродвигателя определяются взаимными зависимостями ряда величин (скорости вращения, вращающего момента, тока в якоре, тока в обмотке возбуждения и т. д.), которые обычно изображают графически. Основной характеристикой двигателя является механическая, представляющая зависимость числа оборотов двигателя от вращающего момента.
На рис. 2 показана принципиальная схема двигателя параллельного возбуждения. Обмотка якоря и обмотка возбуждения В рассматриваемого двигателя образуют две параллельные ветви.
Рис. 2. Принципиальная схема двигателя параллельного возбуждения
В цепь якоря включены пусковой реостат ПР и регулировочный реостат Rрг. В цепь обмотки возбуждения включен регулировочный реостат rш, служащий для изменения тока в обмотке возбуждения, а следовательно, и магнитного потока Ф.
Сила тока, потребляемая двигателем I, складывается из тока в обмотке якоря Iя и тока в обмотке возбуждения Iв.
В схеме: П — плавкие предохранители; Р — двухполюсный рубильник (выключатель).
Ток обмотки возбуждения определяется по закону Ома:

где rв — сопротивление обмотки возбуждения; rш — сопротивление регулировочного реостата.
Напряжение сети U и сопротивление цепи обмотки возбуждения rв + rш во время работы двигателя не изменяются (если мы во время работы не изменяем сопротивление регулировочного реостата), следовательно, ток Iв остается постоянным.
Постоянство тока обеспечивает постоянство магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения.
Сравнительная независимость магнитного потока от нагрузки является основным свойством двигателя параллельного возбуждения, которым определяются две главные его особенности, а именно:
1) вращающий момент изменяется прямо пропорционально силе тока, так как магнитный поток практически не зависит от тока якоря. Это следует из формулы М = кФI
2) число оборотов двигателя при увеличении нагрузки (момента сопротивления на валу) незначительно падает. Это следует из формулы
(U, С и Ф постоянны; rя — сопротивление якоря — весьма мало, поэтому произведение тока в якоре на сопротивление обмотки якоря Iяrя незначительно). Так, разница между скоростью вращения ротора двигателя при отсутствии механической нагрузки (при работе вхолостую) и скоростью вращения при полной нагрузке в мощных двигателях параллельного возбуждения не превышает 6% и лишь в двигателях малой мощности (до 5 кВт) достигает 10—12%.
Таким образом, скорость вращения ротора двигателя параллельного возбуждения остается при изменениях нагрузки почти постоянной, т. е. двигатель обладает так называемой жесткой характеристикой.
Двигатели с параллельным возбуждением применяются для всех судовых вспомогательных механизмов, где требуется постоянство оборотов (насосы, станки и т. п.).
Для регулирования числа оборотов двигателя в схеме предусмотрены регулировочные реостаты Rрг в цепи якоря и rш в цепи возбуждения. Обычно применяют только регулировочный реостат rш.

Изменение направления вращения у двигателей параллельного возбуждения чаще всего осуществляется изменением направления тока в цепи якоря.
При реостатном торможении и при торможении с возвратом электроэнергии двигателя параллельного возбуждения никаких пересоединений его обмоток не требуется: достаточно по отключении его от сети замкнуть обмотку якоря на сопротивление. Чем меньше это сопротивление, тем скорее двигатель остановится; если допустимо замыкание обмотки якоря накоротко, остановка будет особенно быстрой.
На рис. 3 показана принципиальная схема двигателя последовательного возбуждения (обозначения в схеме те же, что и на рис. 2).
Рис.3. Принципиальная схема двигателя последовательного возбуждения
Обмотка возбуждения и обмотка якоря включены в цепь последовательно. По обмотке якоря и по обмотке возбуждения двигателя протекает один и тот же ток I, который определяется формулой
где rя — сопротивление обмотки якоря; rв — сопротивление обмотки возбуждения; U — напряжение на зажимах двигателя; Е — противо-э. д. с. якоря двигателя.
В отличие от двигателя параллельного возбуждения ток в обмотке возбуждения меняется с изменением нагрузки, так как обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно.
Поэтому магнитный поток двигателя последовательного возбуждения меняется при изменении нагрузки.
Этим обстоятельством объясняются все особенности двигателя последовательного возбуждения. Вращающий момент двигателя определяется формулой М = кФI, но в этой формуле Ф — величина не постоянная, а зависящая от тока I.
При малых значениях тока магнитная цепь не насыщена и магнитный поток прямо пропорционален току Ф = k1I. Тогда мы имеем М = kk1I2, т. е. вращающий момент пропорционален квадрату тока. Здесь k и k1 — коэффициенты пропорциональности.
При больших токах магнитная цепь насыщается и поток при изменении тока изменяется незначительно. Таким образом, при больших токах характеристики двигателя последовательного возбуждения аналогичны характеристикам двигателей параллельного возбуждения. Пусковой момент двигателя (момент при пуске) последовательного возбуждения будет больше пускового момента двигателя параллельного возбуждения, т. е. двигатель последовательного возбуждения возьмет «легче с места» под нагрузкой, чем двигатель параллельного возбуждения.
Обороты двигателя последовательного возбуждения резко уменьшаются с увеличением нагрузки (момента сопротивления на валу). Поэтому механическую характеристику этого двигателя называют мягкой.
При значительном уменьшении нагрузки и вместе с ней магнитного потока Ф двигатель начинает развивать очень большую скорость, или, как говорят, «идет в разнос». Разнос двигателя очень опасен, так как связан с разрушением обмотки якоря и другими механическими повреждениями. Поэтому двигатель последовательного возбуждения нельзя пускать без нагрузки, т. е. вхолостую. Ременная передача от этих двигателей к приводимым механизмам недопустима, так как обрыв приводного ремня (идущего к механизму) влечет за собой разнос двигателя.
Двигатель последовательного возбуждения, имея хорошие пусковые свойства и мягкую характеристику, находит широкое применение для палубных вспомогательных механизмов (грузоподъемных устройств, шпиля, брашпиля).
Регулирование числа оборотов двигателя последовательного возбуждения осуществляется изменением сопротивления (Rрг на рис. 3), включенного последовательно обмотке якоря, т. е. изменением и тока якоря и тока возбуждения (т. е. потока) или изменением сопротивления, включенного параллельно обмотке возбуждения, т. е. изменением тока возбуждения (изменением потока).
Перемена направления вращения двигателей последовательного возбуждения осуществляется аналогично двигателю параллельного возбуждения обычно изменением направления тока в якоре.
При динамическом торможении обмотки двигателя последовательного возбуждения должны быть переключены. Если не переключить обмотки, то при переходе двигателя в режим генератора направление тока в обмотке якоря должно измениться на обратное первоначальному. В процессе такого изменения тока машина размагничивается, после чего ротор машины ведет себя как простая вращающаяся масса. Чаще вместо переключения обмотки возбуждения ее оставляют подключенной к сети, а якорь замыкают на тормозное сопротивление.
Торможение противотоком двигателей последовательного возбуждения возможно только при переключении внутренних цепей, так
Рис. 4. Принципиальная схема двигателя смешанного возбуждения
Рис. 5. Механические характеристики двигателей параллельного возбуждения 1, последовательного возбуждения 2 и смешанного возбуждения 3.
как при изменении направления тока в якоре такого двигателя изменяется и направление тока возбуждения, следовательно, и потока возбуждения. При одновременном изменении направления тока в проводнике и магнитного потока поля, в котором находится проводник, направление механической силы, действующей на проводник, не изменяется.
Торможение с возвратом энергии возможно только, если обмотку последовательного возбуждения использовать как обмотку параллельного возбуждения.
Принципиальная схема двигателя смешанного возбуждения изображена на рис. 4.
Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения: одну последовательную Вс, другую параллельную Вш. Пускаются и управляются двигатели смешанного возбуждения при помощи пускового ПР и регулировочного rш реостатов. В этом двигателе совмещаются достоинства двигателей последовательного и параллельного возбуждения.
В зависимости от соотношения числа ампер-витков, создаваемого током в последовательной и параллельной обмотках возбуждения, характеристики этих двигателей приближаются соответственно к характеристикам двигателей последовательного или параллельного возбуждения.
На рис. 5 показаны механические характеристики двигателей параллельного возбуждения 1, последовательного возбуждения 2 и смешанного возбуждения 3.
Коэффициент полезного действия машин постоянного тока
В каждой электрической машине постоянного тока происходят следующие потери энергии:
1) потери, связанные с нагревом током меди обмоток якоря и обмоток возбуждения (тепло Ленца);

2) потери в стали якоря; при вращении якоря в магнитном поле происходят: а) перемагничивание стали якоря, сопровождающееся его нагреванием; б) потери в стали якоря на нагревание, вызванные вихревыми токами;
3) потери, связанные с трением в подшипниках, трением щеток о коллектор, трением вращающихся частей о воздух и т. д.
Обозначая потерю мощности в меди Рм, потерю мощности в стали Pст, потерю мощности от трения Рт, получим формулу для определения к. п. д. генератора
где UI — мощность, отдаваемая генератором потребителям тока. Коэффициент полезного действия двигателя постоянного тока
UI — мощность, подводимая к двигателю;
U — напряжение сети;
I — величина тока, питающего двигатель. >мтомд.инфо

Машина постоянного тока представляет собой электрическую машину с механическим преобразователем частоты в цепи якоря и поэтому имеет обращенное исполнение.

Схема машины постоянного тока

Статор обычно выполняется в виде массивной станины 1, на которой укрепляются полюсы 2 с обмоткой возбуждения. Сердечники полюсов собираются из листов конструкционной стали толщиной 1-2 мм.

Магнитопровод якоря 4 набирается из лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. В пазы магнитопровода укладываются изолированные секции двухслойной обмотки якоря. Выводы секции припаиваются к коллекторным пластинам, закрепленным на валу машины постоянного тока. Число коллекторных пластин равно числу секций. Коллекторные пластины изготавливаются из меди и изолируются друг от друга и от вала с помощью миканитовых прокладок. На внешней поверхности коллектора устанавливаются угольные щетки, закрепленные в щеткодержателях неподвижно относительно статора. Число щеток равно числу полюсов.

Положение щеток относительно полюсов может меняться, но, как правило, щетки устанавливаются на геометрической нейтрали — линии, перпендикулярной оси магнитного поля полюса. В этом случае процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока аналогичны процессам преобразования в синхронных машинах при чисто активной нагрузке. Машины постоянного тока применяются как в качестве электродвигателей, так и в качестве генераторов.

Области применения машин постоянного тока

Двигатели постоянного тока, в отличие от двигателей переменного тока, обладают хорошими регулировочными свойствами и могут иметь механические характеристики n = f(Mвн), удовлетворяющие требованиям большинства рабочих механизмов. Поэтому двигатели постоянного тока широко используются на транспорте (магистральные электровозы, тепловозы, пригородные электропоезда, метрополитен, трамваи, троллейбусы), в станках, прокатных станах, кранах, судовых установках. В подавляющем большинстве автомобилей, тракторов, самолетов и других летательных аппаратов двигатели постоянного тока приводят во вращение все вспомогательное оборудование.

Постоянный ток для питания двигателей получают либо с помощью полупроводниковых выпрямительных установок, преобразующих переменный ток в постоянный, либо с помощью генераторов постоянного тока. Генераторы постоянного тока используют также в технологических процессах для питания электролизных и гальванических установок. Широкое распространение получили генераторы постоянного тока специального назначения (сварочные генераторы, генераторы для освещения поездов, электромашинные усилители постоянного тока, возбудители синхронных машин).

Недостатком машин постоянного тока является их относительно высокая стоимость, а также наличие скользящего контакта между щетками и коллектором. В последние годы в связи с развитием полупроводниковой техники ведутся работы по замене механического коллектора полупроводниковым преобразователем. Однако, несмотря на большие усилия, направленные на создание полупроводниковых преобразователей частоты, электроприводы с такими преобразователями оказываются в 1,5 — 2,5 раза тяжелее и дороже электроприводов с двигателями постоянного тока. Поэтому выпуск машин постоянного тока не сокращается, и они находят все новые области применения.