Электродвигатель постоянного тока

Простейший ДПТ

Двигатель постоянного тока (ДПТ) — первый разработанный тип электродвигателей.

Краткое описание ДПТ

Устройство ДПТ

Двигатель состоит из якорной обмотки (ротора с якорной обмоткой), статора, щёточного узла. ДПТ являются обратимыми электрическими машинами, то есть в определенных условиях способны работать как генераторы.

Статор

На статоре ДПТ располагаются в зависимости от конструкции:

• постоянные магниты
• обмотки возбуждения — катушки, наводящие магнитный поток возбуждения

Двигатели постоянного тока различаются по способу коммутации обмоток возбуждения. Вид подключения обмоток возбуждения существенно влияет на тяговые и электрические характеристики эл.двигателя. Существуют схемы независимого, параллельного, последовательного и смешанного включения обмоток возбуждения.

Ротор

Ротор любого ДПТ состоит из многих катушек, на одну из которых подаётся питание в зависимости от угла поворота ротора относительно статора. Применение большого числа (несколько десятков) катушек необходимо для обеспечения оптимального взаимодействия между магнитными полями ротора и статора (то есть создания максимального момента на роторе).

Выводы всех катушек объединяются в коллекторный узел. Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо из изолированных друг от друга пластин-контактов, расположенных по оси ротора. Существуют и другие конструкции коллекторного узла.

Щёточный (коллекторно-щёточный) узел

Графитовые щётки

Щёточный узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе. Щётка — неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый).

Щётки часто размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора, как следствие при работе ДПТ происходят переходные процессы в обмотках ротора. Эти процессы приводят к искрению на коллекторе, что значительно снижает ресурс ДПТ. Искрение уменьшают выбором взаимного положения полюсов ротора относительно статора(снижая ток коммутации), а также подключением внешних реактивных элементов (конденсаторов).

При больших токах в роторе ДПТ возникают мощные переходные процессы, в результате чего искрение может постоянно охватывать все пластины коллекора, независимо от положения щёток. Данное явление называется кольцевым искрением коллектора. Кольцевое искрение опасно тем, что одновременно выгорают все пластины коллектора и срок его службы значительно сокращается. Визуально кольцевое искрение проявляется в виде светящегося кольца около коллектора. Эффект кольцевого искрения коллектора не допустим, при проектировании приводов устанавливаются соответствующие ограничения на максимальные моменты (а следовательно и токи в роторе), развиваемые двигателем.

Принцип работы

На рамку с током, находящуюся в магнитном поле возбуждения статора, действуют силы, создающие момент на роторе.

Управление ДПТ

Механическая характеристика ДПТ

Зависимость частоты от момента на валу ДПТ. Отображается в виде графика. Горизонтальная ось (абцисс) — момент на валу ротора, вертикальная ось (ординат) — частота вращения ротора. Механическая характеристика ДПТ есть прямая, идущая с отрицательным наклоном.

Механическая характеристика ДПТ строится при определённом напряжении питания обмоток ротора. В случае построения мех. характеристик для нескольких значений напряжения питания говорят о семействе мех. характеристик ДПТ.

Регулировочная характеристика ДПТ

Зависимость частоты от напряжения на валу ДПТ. Отображается в виде графика. Горизонтальная ось (абцисс) — напряжение питания обмоток ротора, вертикальная ось (ординат) — частота вращения ротора. Регулировочная характеристика ДПТ есть прямая, идущая с положительным наклоном.

Регулировочная характеристика ДПТ строится при определённом напряжении питания, развиваемом двигателем. В случае построения регулировочных характеристик для нескольких значений напряжения питания говорят о семействе регулировочных хар-ик ДПТ.

Управление ДПТ

Управляемые приводы на основе ДПТ используют для управления идеи ШИМ.

Управление двигаталем осуществляется по току в обмотке двигателя, который пропорционален напряжению, приложенному к этой обмотке. Реакцию двигателя на данное напряжение при определённом внешнем моменте можно увидеть на соответствующей регулировочной характеристике. Регулировочная характеристика показывает скорость, которую двигатель достигнет в установившемся режиме.

Основные формулы, используемые при управлении ДПТ:

$M=k_{m}I$ — момент, развиваемый двигателем, пропорционален току в обмотке якоря (ротора). $k_{m}$ — коэффициент момента двигателя.

$E=k_{e}\omega$ — противоЭДС в обмотках якоря пропорционально угловой частоте вращения ротора. $k_{e}$ — коэффициент ЭДС двигателя.

$U=RI$ — закон Ома для обмотки ротора. R — сопротивление обмотки ротора, I, U — ток в ней и напряжение, подаваемое на обмотку ротора

Достоинства и недостатки ДПТ

Достоинства:

• Простота устройства и управления
• Практически линейные механическая и регулировочная характеристики двигателя

Недостатки:

• Необходимость профилактического обслуживания коллекторно-щёточных узлов
• Ограниченный срок службы из-за износа коллектора