Двигатели постоянного тока работают от сети напряжением

Коллекторный двигателей используется повсеместно бытовой техникой. 90% домашних применений приходится на этот сегмент. Двигатели стиральных машин, пылесосов, электрического инструмента. Исключением, назовем холодильники, вентиляторы, ветродувки, некоторые вытяжки. Вызвано требованиями бесшумности. Каждый, кто слышал, как ездит маленькая машинка от батарейки, понимает. В ночное время слышно каждый шорох, коллекторный двигатель навел бы шороху. Попробуйте включить на одну-две секунды болгарку в шесть часов утра – поймете.

Согласно законодательству в темное время суток уровень звукового давления не превышает 30 дБ. В противном случае техника помешает спокойному сну. Шум вызван трением щеток о коллектор, ротор двигателя сравнительно тяжелый, малейшая несоосность отдается в подшипниках. Люфт есть, массивнее движущаяся часть, акустический эффект заметнее. У коллекторных двигателей предостаточно недостатков, зато могут работать от постоянного тока. Чтобы уменьшить габариты, снижают число катушек. Для однозначного задания направления вращения необходимо минимум три полюса, причем никогда не работают параллельно.

Двигатель постоянного тока

У коллекторного двигателя бытовой техники великое количество полюсов ротора. Ниже упрощенный рисунок для постоянного тока. Коллекторный двигатель работает в схожем режиме, магнитов статора больше, все электрические. Питание ведется переменным напряжением 220 вольт. Подошли к главной тайне! Нет разницы, питать коллекторный двигатель переменным, постоянным током. С точки зрения обывателя. Существуют некоторые особенности:

1. При питании постоянным током КПД повышается. Подводимая мощность пропорционально снижена, достигая большей эффективности использования. Обмотка статора снабжена не двумя – тремя выводами. При питании постоянным током используется часть витков. Переменный течет через всю катушку статора.
2. При постоянных полях исчезает эффект перемагничивания. Резко снижает нагрев электротехнической стали магнитопроводов двигателя постоянного тока. Отражается низкими требованиями к изготовлению несущей основы ротора и статора. Можно не разделять магнитопроводы на пластины с изоляцией лаком. Как бы то ни было, большинство коллекторных двигателей постоянного тока одновременно годятся и для работы с переменным. Магнитопроводы составлены пластинами электротехнической стали.
3. Косвенным плюсом является более высокая стабильность оборотов. Для регуляции скорости вращения на постоянном токе используется изменение амплитуды напряжения, на переменном – при помощи тиристорного ключа отсекается часть синусоиды по линии питания. Последний вариант используется стиральными машинами.
4. Реверс на переменном токе ведут перекоммутацией обмоток. Изменением направления включения друг относительно друга. Процедуры в стиральной машине выполняют специальные реле. В двигателях постоянного тока полюс статора заменен железным (неодимовым) магнитом. Хватает сменить полярность питания для получения реверса. Операцию можно выполнять при помощи реле или контактора. Если обмотки питаются энергией электричества, для изменения направления вращения вала применяется перекоммутация.

В коллекторном двигателе бытовой техники статор соединяется последовательно ротору. Для передачи энергии на вал используется токосъемник в виде барабана, разделенного секциями. Электродами послужат графитовые щетки с прижимными пружинами. На корпусе выводы статора и ротора разграничены, обеспечивая возможности реализации функции реверса. Среди контактов могут быть вспомогательные: три вывода датчика Холла (два тахометра), окончания термопредохранителя.

По мере кручения вала щетки постепенно переключаются на следующую секцию, полюс ротора сдвигается. Статор остается на прежнем месте. Обратите внимание, полярность меняется с удвоенной частотой сети (50 Гц), характер взаимодействия остается прежним. Одинаковые полюсы отталкиваются, разнородные притягиваются. Путем особого распределения обмотки, коммутации с коллектором обеспечивается нужное направление вращения. Проявляется независимость двигателя от типа питающего напряжения (постоянного или переменного). Некоторые особенности коллекторного оборудования, присущие только данному типу устройств читайте ниже.

По мере движения щеток по барабану возникает искра

Паразитный эффект часто применяется на пользу, недостатки в виде помех послужат оценке скорости вращения вала. При увеличении нагрузки на вал обороты снижаются. Падает величина паразитной противо-ЭДС, эффект приводит к уменьшению уровня искрения. Специальная схема отслеживает фактор, увеличивая напряжение питания. Скорость оборотов восстанавливается. Подобные схемы найдем в кухонных комбайнах; в стиральных машинах для контроля вращения применяются специальные датчики (тахометр).

Для гашения искры применяются варисторы

Величина ЭДС вырастает до недопустимого размера, сопротивление защиты в десятки тысяч раз уменьшается, лишний ток закорачивается корпусом. Варисторы используются парно. Объединяют обе щетки через корпус коллекторного двигателя. Вилки пылесосы зачастую лишены клеммы заземление, успешно снабжаются варисторной защитой. Искра замыкается стальным корпусом, ввиду больших размеров, массы разогрев отсутствует. Смертельно опасно браться одной рукой за коллекторный двигатель с такими изысками, другой – хватать заземленные металлические конструкции (пожарные лестницы; водопроводные, канализационные, газовые трубы; шины громоотводов; оплетки антенных кабелей).

Съемные щечки на корпусе

Корпус электроинструмента снабжен съемными щечками, щетки меняются в течение считаных минут. Уберегает от необходимости разбирать прибор для технического обслуживания. Признаком износа щеток выступает сильное искрение. Оборудование поизносилось. Новые щетки при притирании сильно искрят. В случае износа наблюдается падение мощности. Дрель перестает вращать сверло, останавливается барабан стиральной машины при номинальной массе загруженного белья. Не всегда удается достать оригинальные щетки, комплектующие можно подточить до необходимых размеров шлифовальным инструментом.

Искрение оборотов, срыв

Искрение, срыв оборотов наблюдаются при загрязнении барабана. Ротор вынимается, проводится чистка подходящим средством (спиртом).

Устройство электродвигателя постоянного тока не отличается от моделей, работающих под переменным напряжением. Вышесказанное касается любого типа оборудования.

Что положено в основу

Вскоре после того как было обнаружено взаимодействие магнита и проводника с электрическим током, исследователи догадались усилить электромагнитное поле, создаваемое проводником, придав последнему специальную форму. Так появился виток и рамка как разновидность витка. Рамка в поле постоянного магнита обнаружила свойство стремиться занимать только одно положение. Она всегда устанавливается своей плоскостью поперек силовых линий магнита. Если рамка может вращаться на оси, то при наличии тока она будет поворачиваться вокруг этой оси до тех пор, пока не станет поперек силовых линий магнита.

В процессе поворота ток в рамке должен течь непрерывно. До недавних пор, пока не появились полупроводниковые приборы достаточной мощности, единственным решением этого были скользящие контакты — щетки. Они скользят по контактам рамки, которые в виде пластин размещаются на поверхности цилиндра, расположенного коаксиально с рамкой. Коллектор — так называется этот цилиндр с контактами. Чтобы получить непрерывное вращение несколько рамок, и коллектор располагают на общей оси. Тогда станет возможно преодолеть устойчивое состояние каждой рамки в ее крайнем положении.

Когда рамок становится достаточно много, коллекторная сборка контактов получается все более многочисленной, а контакты узкими, в результате чего количество их увеличивается на 2 с каждой новой рамкой. Посчитав количество пластин и разделив полученное число на 2, можно узнать количество рамок в конструкциях движков. Чтобы взаимодействие рамки с магнитом в электродвигателях получалось наиболее эффективным, все внутреннее пространство заполняется металлом — ферромагнетиком. Таким способом получаются роторы, которыми снабжены электродвигатели постоянного тока.

Прямой пуск

Данный метод основан на прямом подключении якорной обмотки к электрической сети при номинальном напряжении двигателя. Прямой пуск можно применять только в случае наличия стабильного питания мотора, жестко связанного с приводом.

Этот способ является одним из самых простых. Температура при прямом пуске повышается, по сравнению с прочими способами, незначительно.

Схема прямого пуска

Метод прямого пуска наиболее предпочтителен при отсутствии специальных ограничений на ток, поступающий от электросети.

Если электродвигатель работает в режиме частых запусков и отключений, его необходимо снабдить простейшим оборудованием. Его роль может выполнять расцепитель с ручным управлением. Напряжение в этом случае подается на клеммы электромотора.

Прямой пуск можно применять только на маломощных двигателях, поскольку пик нагрузки а крупных моделях может превышать номинальную нагрузку в 50 раз.

Принцип обратимости электродвигателя

Из изложенных выше формул и описаний следует вывод, что каждая машина постоянного тока (и не только постоянного) может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Такое свойство имеют все электрические машины, и оно носит название обратимость.

Для перехода двигателя постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности щеток и полюсов, а также при неизменном направлении вращения необходимо всего лишь изменить направление тока в обмотке якоря (что сейчас легко делается с помощью тиристорных преобразователей и других управляемых выпрямителей).

В современных системах такой переход осуществляется автоматически.

Физический принцип работы электродвигателя переменного тока

Тут логика работы строится немного иначе. Обмотка у нас находится на статоре. А вот ротор представляет собой сердечник со специальной замкнутой рамкой или постоянными магнитами. Так проще обыграть постоянную смену направления тока.

Если двигатель переменного тока однофазный (или, правильнее сказать, может работать в нашей электрической цепи на 220 В) , то в обмотке статора при прохождении тока создается пульсирующее магнитное поле. Это поле раскладывается на два поля, имеющих равные амплитуды и вращающиеся в противоположные стороны с одинаковой частотой. Для разложения мы просто делаем замкнутый контур и получаем, что по одной части контура ток идёт в одну сторону, а по другой – в противоположную. Вот вам и момент, который крутанет рамку с током. А точнее – ротор определенной конструкции. Дальше обмотку статора “разносят” на 180 градусов и получают рабочую схему.

Поскольку полярность тока на статоре постоянно меняется, получается что генерируемое магнитное поле тоже меняет направление и регулярно, в соответствии с фазой колебания, “даёт пинок” нашему якорю. Этот процесс и порождает непрерывное равномерное движение ротора. Но есть тут один прикол!

Если двигатель однофазный, то прежде, чем он начнет работать, его ротор нужно крутануть. Или же магнитное поле так и будет пульсировать, а ротор так и будет стоять. Для этого обычно используется дополнительная обмотка или прочие ухищрения. Для создания вращающегося магнитного поля необходимо, чтобы магнитный поток через пусковую обмотку был сдвинут по фазе относительно рабочей. Но про это как-нибудь в другой раз.

Отметим, что этого недуга лишены трехфазные двигатели переменного тока. Там всё тоже самое, но поскольку у нас есть три разных фазы с разными точками максимальных значений относительно времени, в статоре создается вращающееся магнитное поле.

Оно начинает бегать по кругу, а заодно пинает ротор. Этот процесс и порождает непрерывное равномерное движение ротора. Тут уже не нужно никакое возбуждение, потому что ротор будет регулярно пинаться по кругу, как карусель, раскручиваемый детьми.

Синхронный принцип работы электродвигателя

Особенности синхронной работы моторов зависят от того, какой двигатель рассматривается. Они бывают:

• с катушками возбуждения;
• с постоянными магнитами (ПМ);
• реактивные;
• гистерезисные;
• шаговые.

Есть гибридные модели: реактивные с ПМ и реактивно-гистерезисные.

Независимо от того, какие двигатели рассматривать, условие синхронности базируется на взаимодействии МП полюсов индуктора (статора) и МП якоря.

К сведению. Если конструктивное строение обратить (расположить якорь и индуктор наоборот), то синхронный двигатель превращается в генератор.

Двигатель работает следующим образом: постоянный ток прикладывается к обмотке возбуждения (от внешнего источника питания), а переменный – к трёхфазной обмотке якоря. Якорная обмотка создаёт вращающееся МП, которое вступает во взаимосвязь с МП обмотки возбуждения. Результат – электромагнитный момент, вращающий ротор.

Почему переменный ток используется чаще

Выше мы уже говорили о том, почему переменный ток в настоящее время используется чаще, чем постоянный. И все же, давайте рассмотрим этот вопрос подробнее.

Споры о том, какой же ток в использовании лучше идет со времен открытий в области электричества. Существует даже такое понятие, как «война токов» — противоборство Томаса Эдисона и Николы Теслы за использование одного из видов тока. Борьба между последователями этих великих ученых просуществовала вплоть до 2007 года, когда город Нью-Йорк перевели на переменный ток с постоянного.

Самая главная причина, по которой переменный ток используется чаще – это возможность передавать его на большие расстояния с минимальными потерями . Чем больше расстояние между источником тока и конечным потребителем, тем больше сопротивление проводов и тепловые потери на их нагрев.

Для того, чтобы получить максимальную мощность необходимо увеличивать либо толщину проводов (и уменьшать тем самым сопротивление), либо увеличивать напряжение.

В системах переменного тока можно увеличивать напряжение при минимальной толщине проводов тем самым сокращая стоимость электрических линий. Для систем с постоянным током доступных и эффективных способов увеличивать напряжение не существует и поэтому для таких сетей необходимо либо увеличивать толщину проводников, либо строить большое количество мелких электростанций. Оба этих способа являются дорогостоящими и существенно увеличивают стоимость электроэнергии в сравнении с сетями переменного тока.

При помощи электротрансформаторов напряжение переменного тока эффективно (с КПД до 99%) можно изменять в любую сторону от минимальных до максимальных значений, что тоже является одним из важных преимуществ сетей переменного тока. Применение трехфазной системы переменного тока еще больше увеличивает эффективность, а механизмы, например, двигатели, которые работают в электросетях переменного тока намного меньше, дешевле и проще в обслуживании, чем двигатели постоянного тока.

Исходя из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что использование переменного тока выгодно в больших сетях и при передаче электрической энергии на большие расстояния, а для точной и эффективной работы электронных приборов и для автономных устройств целесообразно использовать постоянный ток.

Что такое короткое замыкание по-простому?

Какие существуют виды источников электрического тока?

Способы вычисления потребления электроэнергии бытовыми приборами

Как пользоваться мультиметром – измерение напряжения, силы тока и сопротивления

Что такое фазное и линейное напряжение?

Сравнение основных параметров светодиодных ламп и ламп накаливания, таблица соответствия мощности и светового потока