Постояннотоков електрически двигател

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене

Постояннотоков електрически двигателелектрически двигател, захранван с постоянен ток. Тази група двигатели се разделя на:

  1. Колекторни електродвигатели
  2. Безколекторни електродвигатели.

История[редактиране | edit source]

Съвременният постояннотоков двигател е изобретен случайно през 1873, когато Женоб Грам свързва въртящо динамо към второ подобно устройство, движещо се като двигател.

Класическият постояннотоков двигател има въртяща се котва под формата на електромагнит.

Electric motor cycle 1.png Electric motor cycle 2.png Electric motor cycle 3.png
Обикновен постояннотоков двигател. Когато има ток в намотката, се създава магнитно поле около котвата. Лявата част на котвата се избутва от левия магнит и се приближава до дясната част, създавайки въртене. Котвата продължава да се върти. Когато котвата се разположи хоризонтално, колектора обръща посоката на тока през намотките, обръщайки и магнитното поле. След това процеса се повтаря.

Колекторни електродвигатели[редактиране | edit source]

Това са първите електродвигатели намерили практическо приложение. Тъй като четките им се износват и се нуждаят от честа подмяна, откритите в последствие асинхронни двигатели работещи с променливо напрежение са заели местата на колекторните DC (постояннотокови) двигатели в много сфери. Въпреки това колекторните постояннотокови двигатели продължават и до днес да бъдат използвани без алтернатива на много места- автомобилни стартери, машини за хартия и други. Колекторните DC електродвигатели лесно могат да променят скоростта си чрез промяна на работното напрежение или силата на магнитното поле.

Безколекторни електродвигатели[редактиране | edit source]

Вентилeн eлектродвигател в 3.5" флопи-диск устройство. Статорните намотки са разположени радиално. Роторът (горе вдясно) е демонтиран и обърнат наобратно. Черния пръстен е постоянен магнит.

Безколекторeн (Вентилeн) eлектродвигател — това е модерен синхронен двигател, работещ на принципа на честотното регулиране със самосинхронизация,чрез изменение на вектора на магнитното поле на статора в зависимост от положението на ротора. Вентилните двигатели (в англоезичната литература BLDC или PMSM) се определят като безколекторни двигатели на постоянен ток (БДПТ), понеже такъв двигател най-често се захранва от постоянно напрежение.Двигателя е създаден с цел подобряване свойствата на класическите постояннотокови мотори-избягване на бързо износващия се колекторен блок с четки.За разлика от традиционния постояннотоков двигател, комутацията във вентилния се осъществява и контролира с електроника. Високите изисквания към изпълнителните механизми (в частност, високооборотните микроприводи с точно позициониране) са обусловили употребата на тези специфични безконтактни трифазни постояннотокови двигатели.

Теория[редактиране | edit source]

Ако ротора на постояннотоков двигател се завърти от външна сила, двигателят ще действа като генератор и ще създаде електродвижещо напрежение (ЕДН). Това напрежение също се генерира и при нормалната работа на двигателя. Въртенето на двигателя създава напрежение, наречено обратно ЕДН, защото е обратно на входното напрежение. Затова спада на напрежението върху мотора се състои от спада на напрежението на това обратно ЕДН и паразитното напрежение, което е резултат на външното съпротивление на котвените намотки. Тока през двигателя е:

I = (V_{applied}-V_{backemf})/R_{armature}

Механичната сила произведена от двигателя е:

P = I * V_{backemf}

Когато двигателя се включи или бъде застопорен, обратното ЕДН е нулево, защото то е пропорционално на скоростта на въртене. По тази причина токът през котвата е много по-голям. Тази висока стойност на тока причинява силни електрически полета. Когато двигателя се върти, обратното ЕДН се увеличава, докато стане равно на входното напрежение минус паразитното напрежение. Затова тече малък ток през намотките на електродвигателя. Следните три уравнения могат да се използват за намиране на скоростта, тока и обратното ЕДН на натоварен двигател:

Load = V_{backemf} * I

V_{applied} = I * R_{armature} + V_{backemf}

V_{backemf} = speed * Flux_{armature}

Начини на свързване[редактиране | edit source]

A: shunt B: series C: compound f = field coil

Има три възможни вида връзки между статора и ротора на DC електродвигатели: последователно(серийно),паралелно(шунт) и компаунд (смесено-серийно и шунт) и всеки от тях е с уникални характеристики на скорост / въртящ момент подходящи за различни видове натоварване.[1]

Регулиране на скоростта[редактиране | edit source]

Скоростта на въртене на един постояннотоков двигател е пропорционална на входното напрежение, а въртящият момент е пропорционален на тока. Регулиране на скоростта може да се осъществи чрез промяна на тока във възбудителната намотка(ако двигателят не е с постоянни магнити) или на котвената или двете едновременно чрез съпротивления или електронно управление. Посоката на въртене може да се промени, както чрез смяна посоката на тока в котвата или смяна на посоката на тока във възбудителната намотка (ако двигателят не е с постоянни магнити), но не и двете едновременно.

Захранващото напрежение на намотките може да се променя най-просто чрез последователно включване на резистори( съпътствано със значителни загуби на енергия), електронно управление с тиристори, транзистори или по-рано с живачни токоизправители. С електрическия елемент, познат като ключ, напрежението, подавано към двигателя, се променя много бързо между включено и изключено състояние. Регулирането без енергийни загуби става възможно едва след появата на достатъчно мощни полупроводници. Използват се мощни ключови транзистори от тип IGBT, MOSFET. В началото са правени опити с "класически" тиристори поради отсъствието на достатъчно мощни и бързи други видове полупроводници. Регулаторите, конструирани с тях, се характеризираха с много хармоници, създаващи свои въртящи магнитни полета с честота, кратна на основната, и посока, обратна на въртящия момент на двигателя. Известно е е, че хармониците водят до понижаване на КПД на електродвигателя, повишават температурата му, повишават шума и т.н. Електронното превключване губи много по-малко енергия от използването резистори. За да се намалят Хармоницитите от бързото превключване, на входа на електронния ключ се монтира филтър. Този елемент от системата е изключително важен поради факта, че се комутират големи токове с голяма скорост (du=di/dt) и резултатните смущения във вид на електромагнитни вълни оказват негативно влияние на всички електронни устройства, намиращи се наблизо. Този метод се нарича импулсна модулация и често се контролира от микропроцесор.

Постояннотоковите двигатели имат най-голям въртящ момент, от всички типове електродвигатели, при ниски скорости на въртене и еднакви масообемни показатели. Те често се използват за задвижване на електрически локомотиви и трамваи. Друго приложение е пускови двигатели за бензинови и малки дизелови двигатели. Серийните двигатели никога не трябва да се използват на места, където товарът може да спадне рязко (напр. при скъсване на ремък). Тогава двигателят се ускорява, котвеният ток намалява (а от там и интензитетът на полето). Това намаляване на полето води до увеличаване на скоростта си на въртене. В много случаи това води до повреда. Същото е проблем за железопътните двигатели. В случаи на отделяне от релсите двигателят може да развие скорост далеч над номиналната. Това не само може да създаде проблеми за самите двигатели но и за трансмисиите. Заради голямото триене на релсите и колелата те могат да бъдат сериозно повредени. Това важи само ако въртящият момент, развиван от двигателя, е по-голям от съпротивителния на машината, която задвижва. В противен случай става „Прекатурване“ и скоростта при намаленото възбуждане е по-малка.(Двигателят при по-малко възбуждане има по-малък въртящ момент). Най-простото устройство за регулиране на честотата на въртене на използва контактор и резистор. Електронни контролери показват тока на двигателя и превключват резистори в схемата, когато токът падне под дадена стойност. Това става когато двигателят достигне максимално предвидената си скорост на въртене. При напълно развъртян двигател всички резистори са изключени.

Източници[редактиране | edit source]

  1. Herman, Stephen. Industrial Motor Control. 6th ed. Delmar, Cengage Learning, 2010. Page 251.

Външни препратки[редактиране | edit source]