Схема коллекторного двигателя переменного тока

КОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Коллекторные двигатели переменного тока в принципе отличаются от двигателей постоянного тока последовательного возбуждения (рис. 2.1) лишь тем, что их магнитную систему, включая станину и полюсы, делают шихтованной из листовой электротехнической стали. Это необходимо для уменьшения магнитных потерь, которые в двигателе переменного тока имеют повышенную величину, так как магнитный поток возбуждения является переменным (изменяется с частотой сети).

Рис. 2.1. Схема коллекторного двигателя переменного тока

Электромагнитный (вращающий) момент в коллекторном двигателе переменного тока создается так же, как в двигателе постоянного тока, за счет взаимодействия тока якоря с магнитным потоком возбуждения Ф:

Однако здесь и ток якоря, и магнитный поток изменяются с частотой сети, причем поток несколько отстает по фазе от тока за счет потерь в стали (рис. 2.2):

Рис. 2.2. Кривые вращающего момента, тока и магнитного потока коллекторного двигателя переменного тока

Подставив выражения I и Ф в уравнение момента и преобразовав его, получим

Из выражений (2.4, 2.5) следует, что вращающий момент коллектор­ного двигателя переменного тока имеет две составляющие:

— постоянную (не зависящую от t )

— переменную (изменяющуюся с удвоенной частотой сети)

На рис. 2.2 представлена зависимость электромагнитного момента коллекторного двигателя переменного тока в функции времени. Анализ ее показывает, что фазовый сдвиг является причиной появления в течение каждого периода некоторого отрицательного значения электромагнитного момента. С увеличением фазового сдвига отрицательная составляющая момента возрастает и при становится равной положительной составляющей. В этом случае среднее за период значение момента равно нулю и двигатель не работает.

Коллекторные двигатели переменного тока выполняют с последовательным возбуждением – ток якоря является также и током возбуждения. Этим объясняется тем, что фазовый сдвиг между током I и потоком Ф невелик.

Анализ зависимости M = f(t) показывает также, что в течение периода величина момента не остается постоянной, а достигает максимума, когда произведение тока на поток максимально, и падает до нуля при нулевом значении одного из сомножителей. Однако пульсации момента не нарушают работу двигателя, так как частота пульсаций велика, а вращающиеся части обладают значительной инерцией.

По своим рабочим свойствам коллекторный двигатель переменного тока напоминает двигатель постоянного тока последовательного возбуждения. Большим недостатком коллекторных двигателей переменного тока является неудовлетворительная коммутация, сопровождающаяся искрением на щетках. Объясняется это тем, что в коммутируемых секциях обмотки якоря кроме реактивной составляющей э.д.с. е_р и э.д.с. вращения е_вр возникает еще и трансформаторная э.д.с. е_тр . наводимая переменным магнитным потоком возбуждения.

Универсальные коллекторные двигатели получили большое распространение в устройствах автоматики и в бытовых электроприборах. Это двигатели малой мощности, которые могут работать как от постоянного, так и от переменного тока. Магнитная система их выполняется полностью шихтованной из листовой электротехнической стали.

В универсальном коллекторном двигателе стремятся получить примерно одинаковые частоты вращения при номинальной нагрузке как на постоянном, так и на переменном токе. Достигается это тем, что обмотку возбуждения электродвигателя выполняют с ответвлениями: при работе электродвигателя от сети постоян­ного тока обмотка возбуждения используется полностью, а при работе от сети переменного тока – лишь частично (рис. 2.3).

Рис. 2.3.Принципиальная схема универсального коллекторного двигателя последовательного возбуждения

Однако и в этом случае наблюдается расхождение характеристик двигателей, работающих на постоянном и переменном токах, обусловленное тем, что при работе на переменном токе на величину и фазу тока оказывают влияние индуктивные сопротив­ления обмоток якоря и возбуждения. Уменьшение числа витков обмотки возбуждения двигателя, работающего на переменном токе, обеспечивает сближение механических характеристик лишь при номинальной нагрузке. На рис. 2.4 приведены рабочие Характеристики универсального коллекторного двигателя мощностью 55 Вт.

Рис. 2.4. Рабочие характеристики универсального коллекторного двигателя

Величина тока, потребляемого универсальным двигателем при работе на переменном токе, больше, чем при работе этого же двигателя на постоянном токе, так как переменный ток помимо активной составляющей имеет еще и реактивную составляющую. К.п.д. универсального двигателя на переменном токе ниже, чем на постоянном, что объясняется повышенными магнитными и электрическими потерями.

Регулирование частоты вращения двигателей переменного тока и универсальных двигателей осуществляется точно так же, как и двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением.

Коллекторный двигатель постоянного и переменного тока

Во многих современных электрических установках используются универсальные моторы, предназначенные для работы как с переменным, так и с постоянным током. Коллекторный двигатель для мясорубок, стиральных машин и прочих устройств с реверсом можно подключить своими руками, если имеется схема и чертеж.

Принцип действия и конструкция

Коллекторные двигатели очень похожи на двухполюсные моторы. Блок состоит из рамки прямоугольной формы, которая размещена в электромагните. Полюсы магнита способствуют тому, что рамка под напряжением начинает вращаться в их пределах. Асинхронный двигатель получает электрическую энергию при помощи контактов в форме полуколец. Иногда коллекторное устройство питается за счет щеток, которые соприкасаются с рамкой. Щетки изготавливаются из металлического сплава.

Фото — конструкция

При этом, если микродвигатель может иметь одну или две рамки, то реальный движок для различных аппаратов оснащен большим количеством подобных отводов. Для их подключения редко используется несколько контактов-полуколец, гораздо чаще они соединяются со щетками, которые способны захватить большую площадь.

Фото — модель без полюсной обмотки

Намотка якоря коллекторного двигателя представляет собой набор из медных пластинок на специальный цилиндр. После к ним привариваются при помощи сварочных работ концы обмотки, что гарантирует безопасность и эффективность работы. Аварии и соскакивания пластин и обмоток с цилиндра невозможны в связи с «мертвым» соединением.

Электрический мотор, в общей сложности, состоит из двух частей: статора и якоря. Статор, размещенный между магнитами, при включении в сеть начинает вращаться, в то время, как якорь остается неподвижным. Исходя из такой конструкции, принцип работы коллекторного двигателя основан на последовательном соединении всех рабочих частей. Он соприкасается со щетками или контактами-полукольцами. В свою очередь, к коллектору присоединяется обмотка ротора. Универсальный коллекторный мотор имеет последовательное соединение статора и ротора.

1. Коллекторный двигатель от 2 кВт можно использовать как для постоянного тока, так и для переменного. Это является большим преимуществом сравнительно с многочисленными двигателями определенного типа работы;
2. Высокие скорости вращения ротора. Поэтому он используется для различных авиамоделей (импеллерный Su-47 XL), вращения шпинделя токарного станка и прочих промышленных приборов. Помимо этого, такие механизмы также применяются для работы стиральной машины, пылесосов и т. д.;
3. Реверс скоростей;
4. Его можно использовать как генератор;
5. Этот двигатель – тяговый. На его вал можно устанавливать рабочие части механизмов (как, к примеру, у пылесоса), при этом, не боясь, что они повредятся. Это обусловлено высокой скоростью и отсутствием нагрузки на рабочие части при включении.

Но при эксплуатации наблюдаются следующие недостатки:

1. Высокий уровень шума и трудное управление;
2. Наиболее известным минусом является создание радиопомех. Поэтому такие устройства не используются в электромеханической и радиопромышленности;
3. Высокая стоимость;
4. Сложность в разработке, нельзя самостоятельно проводить ремонт. Своими руками сделать коллекторный мотор практически невозможно, т. к. он является одним из самых сложных пусковых механизмов.

Зачем требуется подключение регулятора? Для уменьшения скорости и мощности старта безколлекторный двигатель 220В просто перенастраивается на другую скорость, к примеру, как однофазный или трехфазный асинхронный. Для этого изменяется частота используемого тока. Но, у коллекторных моделей главная особенность работы в постоянном магнитном поле вокруг вращающейся рамки, т. е. его нельзя изменить или перенастроить. Чтобы работать с таким редуктором, нужно обязательно уменьшать первичные обороты во время включения.

Фото — регулятор скорости

Для того, чтобы снизить резкость старта, в устройство устанавливается регулятор оборотов коллекторного двигателя. Этот контроллер необходим, чтобы защитить подключаемые к пусковому механизму устройства от пережога и неисправности в связи со скачками мощности.

Принципиально регулятор работает за счет уменьшения скольжения и снижения крутящего момента на валу. Система очень проста в реализации и удобна в использовании, такие контроллеры устанавливаются во все стиральные машины для снижения нагрузки на вращающиеся части.

Фото — схема регулятора

Теоретически, есть еще один способ, как перемотать двигатель – это подключить к нему автотрансформатор. Но такой способ не уместен для домашних условий, и даже на производстве, не является наиболее удобным из-за большого размера трансформирующего прибора.

Если нужно мягко уменьшить обороты вала и крутящий момент, рекомендуется следующая схема подключения коллекторного двигателя, которую легко можно собрать своими руками:

Фото — схема для плавной регулировки

Чтобы проверить ротор двигателя без сборки, к коллекторному мотору последовательным путем присоединяется омметр. Предел работы устанавливается на уровне 2 Ом, если с ротором все нормально, то он прозванивается на этом уровне.

К слову, если регулятор установить не выходит, то можно собрать другую схему, по принципу работы аналогичную коллекторному двигателю: соединить датчик угла и вентильный синхронный электродвигатель. К движку в таком случае добавляется выпрямитель.

Если нужно обеспечить регулировку коллекторных двигателей широтно-импульсной модуляции (ШИМ), то используется следующий чертеж:

Этот стабилизатор может установить нужные частоты сигнала, обеспечить определенный уровень ШИМ на выходе и установить нужные значения вращения при включении движка в сеть.

Видео: универсальные коллекторные двигатели

Характеристики

Рассмотрим другие характеристики различных коллекторных моделей.

Устройство и схема подключения коллекторного двигателя переменного тока

Коллекторные двигатели переменного тока достаточно широко применяются как силовые агрегаты бытовой техники, ручного электроинструмента, электрооборудования автомобилей, систем автоматики. Схема подключения коллекторного двигателя переменного тока, а также его устройство напоминают схему и устройство электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

Область применения таких моторов обусловлена их компактностью, малым весом, легкостью управления, сравнительно невысокой стоимостью. Наиболее востребованы в этом производственном сегменте электродвигатели малой мощности с высокой частотой вращения.

• Особенности конструкции и принцип действия
• Упрощенная схема подключения
• Управление работой двигателя
• Преимущества и недостатки
• Типичные неисправности

Особенности конструкции и принцип действия

По сути, коллекторный двигатель переменного тока представляет собой достаточно специфичное устройство, обладающее всеми достоинствами машины постоянного тока и, в силу этого, обладающее схожими характеристиками. Отличие этих двигателей состоит в том, что корпус статора мотора переменного тока для снижения потерь на вихревые токи выполняется из отдельных листов электротехнической стали. Обмотки возбуждения машины переменного тока подключаются последовательно для оптимизации работы в бытовой сети 220в.

Могут быть как одно-, так и трехфазными; благодаря способности работать от постоянного и переменного тока называются ещё универсальными. Кроме статора и ротора конструкция включает щеточно-коллекторный механизм и тахогенератор. Вращение ротора в коллекторном электродвигателе возникает в результате взаимодействия тока якоря и магнитного потока обмотки возбуждения. Через щетки ток подается на коллектор, собранный из пластин трапецеидального сечения и является одним из узлов ротора, последовательно соединенного с обмотками статора.

В целом принцип работы коллекторного мотора переменного тока можно наглядно продемонстрировать с помощью известного со школы опыта с вращением рамки, помещенной между полюсами магнитного поля. Если через рамку протекает ток, она начинает вращаться под действием динамических сил. Направление движения рамки не меняется при изменении направления движения тока в ней.

Последовательное подсоединение обмоток возбуждения дает большой максимальный момент, но появляются большие обороты холостого хода, способные привести к преждевременному выходу механизма из строя.

Упрощенная схема подключения

Типовая схема подключения коллекторного электродвигателя переменного тока может предусматривать до десяти выведенных контактов на контактной планке. Ток от фазы L протекает до одной из щеток, затем передается на коллектор и обмотку якоря, после чего проходит вторую щетку и перемычку на обмотки статора и выходит на нейтраль N. Такой способ подключения не предусматривает реверс двигателя вследствие того, что последовательное подсоединение обмоток ведет к одновременной замене полюсов магнитных полей и в результате момент всегда имеет одно направление.

Направление вращения в этом случае можно изменить, только поменяв местами выхода обмоток на контактной планке. Включение двигателя «напрямую» выполняется только с подсоединенными выводами статора и ротора (через щеточно-коллекторный механизм). Вывод половины обмотки используется для включения второй скорости. Следует помнить, что при таком подключении мотор работает на полную мощность с момента включения, поэтому эксплуатировать его можно не более 15 секунд.

Наши читатели рекомендуют!

Для экономии на платежах за электроэнергию наши читатели советуют «Экономитель энергии Electricity Saving Box». Ежемесячные платежи станут на 30-50% меньше, чем были до использования экономителя. Он убирает реактивную составляющую из сети, в результате чего снижается нагрузка и, как следствие, ток потребления. Электроприборы потребляют меньше электроэнергии, снижаются затраты на ее оплату.

Управление работой двигателя

На практике используются двигатели с различными способами регулирования работы. Управление коллекторным мотором может осуществляться с помощью электронной схемы, в которой роль регулирующего элемента выполняет симистор, «пропускающий» заданное напряжение на мотор. Симистор работает, как быстросрабатывающий ключ, на затвор которого приходят управляющие импульсы и открывают его в заданный момент.

В схемах с использованием симистора реализован принцип действия, основанный на двухполупериодном фазовом регулировании, при котором величина подаваемого на мотор напряжения привязана к импульсам, поступающим на управляющий электрод. Частота вращения якоря при этом прямо пропорциональна приложенному к обмоткам напряжению. Принцип работы схемы управления коллекторным двигателем упрощенно описывается следующими пунктами:

• электронная схема подает сигнал на затвор симистора;
• затвор открывается, по обмоткам статора течет ток, придавая вращение якорю М двигателя;
• тахогенератор преобразует в электрические сигналы мгновенные величины частоты вращения, в результате формируется обратная связь с импульсами управления;
• в результате ротор вращается равномерно при любых нагрузках;
• реверс электродвигателя осуществляется с помощью реле R1 и R

Помимо симисторной существует фазоимпульсная тиристорная схема управления.

Преимущества и недостатки

К неоспоримым достоинствам таких машин следует отнести:

• компактные габариты;
• увеличенный пусковой момент; «универсальность» — работа на переменном и постоянном напряжении;
• быстрота и независимость от частоты сети;
• мягкая регулировка оборотов в большом диапазоне с помощью варьирования напряжения питания.

Недостатком этих двигателей принято считать использование щеточно-коллекторного перехода, который обуславливает:

• снижение долговечности механизма;
• искрение между и коллектором и щетками;
• повышенный уровень шумов;
• большое количество элементов коллектора.

Типичные неисправности

Наибольшего внимания к себе требует щеточно-коллекторный механизм, в котором наблюдается искрение даже при работе нового двигателя. Сработанные щетки следует заменить для предотвращения более серьезных неисправностей: перегрева ламелей коллектора, их деформации и отслаивания. Кроме того, может произойти межвитковое замыкание обмоток якоря или статора, в результате которого происходит значительное падение магнитного поля или сильное искрение коллекторно-щеточного перехода.

Избежать преждевременного выхода из строя универсального коллекторного двигателя может грамотная эксплуатация устройства и профессионализм изготовителя в процессе сборки изделия.

Источники: http://studopedia.ru/10_150837_kollektorniy-dvigatel-peremennogo-toka.html, http://www.asutpp.ru/elektrodvigatel/kollektornyj-dvigatel.html, http://electricvdele.ru/elektrooborudovanie/elektrodvigateli/kollektornyj-dvigatel-peremennogo-toka-shema-podklyucheniya.html