Характеристики универсального коллекторного двигателя

Универсальные коллекторные двигатели

Универсальные коллекторные двигатели — это электродвигатели малой мощности последовательного возбуждения с секционированной обмоткой возбуждения, благодаря чему они могут работать как на постоянном, так и на переменном стандартных напряжениях примерно с одинаковыми свойствами и характеристиками. Такие электродвигатели используют для привода маломощных быстроходных устройств и многих бытовых приборов. Они допускают простое, широкое и плавное регулирование скорости.

По своему устройству эти двигатели отличаются от двигателей постоянного тока общего применения конструкцией статора, магнитную систему которого собирают из топких изолированных друг от друга листов электротехнической стали с выступающими полюсами, на которых размещают по две секции обмотки возбуждения. Эти секции соединяют последовательно с якорем и располагают по обе стороны от его выводов, что снижает радиопомехи от ценообразования на коллекторе под щетками, которое при питании двигателя от сети переменного напряжения особенно усиливается из-за существенного ухудшения условий коммутации.

В зависимости от конструкции двигателя обмотка возбуждения может быть соединена с якорем внутри машины или может иметь самостоятельные наружные зажимы, что удобнее для изменения направления вращения якоря путем перемены мест проводов, подходящих к его зажимам или к зажимам обмотки возбуждения. Якорь универсальных двигателей устроен так же, как и якорь машин постоянного тока, а обмотка его присоединена к коллекторным пластинам, к которым прижаты щетки.

Пуск этих двигателей выполняют непосредственным включением в сеть постоянного или переменного напряжения, которое соответствует номинальному напряжению, указанному в ее табличке.

Скорость якоря универсального коллекторного двигателя последовательного возбуждения прямо пропорциональна напряжению на его зажимах и обратно пропорциональна амплитуде магнитного потока, зависящей от нагрузки на валу электродвигателя.

Механические характеристики у таких электродвигателей отличаются в зависимости от того на каком напряжении (переменном или постоянном) работает электродвигатель, так как при питании от сети постоянного напряжения присутствует только падение напряжения, созданное сопротивлениями обмоток возбуждения и якоря постоянному току, в то время как при присоединении к сети переменного напряжения возникает еще значительное индуктивное падение напряжения на обмотках возбуждения и якоря. Кроме этого, при переменном токе при малой скорости якоря имеет место значительный сдвиг фаз между напряжением и током, что резко снижает момент на валу двигателя.

Для получения примерно одинаковых механических характеристик на переменном и постоянном токе включают секционированную обмотку возбуждения двигателя на постоянный ток полностью, а при включении на переменный ток — частично, для чего двигатель присоединяют к соответствующей сети зажимами с обозначениями «+» и » — » или зажимами с обозначениями «

При номинальных режимах, отвечающих питанию от сети постоянного и переменного напряжений, номинальная скорость якоря одинакова. Однако при перегрузке двигателя, присоединенного к сети переменного напряжения, скорость якоря уменьшается сильнее, а при разгрузке возрастает быстрее, чем при работе его от сети постоянного напряжения.

При холостом ходе скорость якоря может превысить номинальную в 2,5 — 4 раза и выше, а это не допустимо из-за значительных центробежных сил, которые могут разрушить якорь. По этой причине режим холостого хода допустим только для двигателей малой номинальной мощности с относительно большими механическими потерями, ограничивающими скорость якоря. Двигатели с незначительными механическими потерями всегда должны нести нагрузку не менее 25% номинальной.

Регулирование скорости якоря осуществляют изменением напряжения на зажимах машины, а также шунтированием обмотки возбуждения или обмотки якоря резистором. Из этих способов полюсное регулирование, осуществляемое параллельным включением обмотки возбуждения регулируемого резистора, является наиболее экономичным.

Основным преимуществом универсальных коллекторных двигателей по сравнению с асинхронными и синхронными двигателями является то, что они развивают значительный начальный пусковой момент благодаря последовательной обмотке возбуждения и позволяют без применения повышающего редуктора получить скорость якоря значительно выше синхронной.

Быстроходность универсальных коллекторных двигателей ограничивает их размеры и массу.

Номинальный к. п. д. этих машин зависит от их номинальной мощности, быстроходности и рода тока. Так, у двигателей номинальной мощностью от 5 до 100 Вт он составляет от 0,25 до 0,55, а в машинах номинальной мощностью до 600 Вт его значение доходит до 0,70 и выше, причем работа двигателей на переменном токе всегда сопровождается пониженным к. п. д., что вызвано повышенными магнитными и электрическими потерями. Номинальный коэффициент мощности этих двигателей составляет 0,70 — 0,90.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Универсальные коллекторные двигатели

Универсальными называют коллекторные двигатели, которые могут работать как от сети постоянного, так и от сети однофазного переменного тока.

Коллекторный двигатель постоянного тока в принципе может работать от сети переменного тока, так как при переходе от поло­жительного полупериода переменного напряжения к отрицатель­ному направление электромагнитного момента сохраняется неиз­менным. Объясняется это тем, что при переходе к отрицательному полупериоду почти одновременно с изменением направления тока в обмотке якоря меняется направление тока в обмотке возбужде­ния, т. е. меняется полярность полюсов.

Рис. 29.16. К принципу работы универсального коллекторно­го двигателя

Однофазные коллекторные двигатели имеют преимуществен­но последовательное возбуждение. Применение параллельного возбуждения (рис. 29.14, ) в данном случае ограничивается значительной индуктивностью параллельной обмотки возбуждения, имеющей большое число витков. Это создает значительный фазо­вый сдвиг между током якоря и током возбуждения на угол (рис. 29.14, б). Среднее значение электромагнитного момента в этом случае определяется выражением, аналогичным выражению (25.24), но учитывающим угол сдвига между током якоря и маг­нитным потоком:

Читать еще:  Bmw 120d тюнинг двигателя

, (29.34)

где — максимальное значение магнитного потока; — угол сдвига фаз между током якоря и током возбуждения; — угол сдвига фаз между током возбуждения и магнитным потоком, обу­словленный наличием магнитных потерь в машине [ , а следовательно, ].

В двигателе последовательного возбуждения (рис. 29.14, в) ток якоря и ток возбуждения совпадают по фазе: = 0 (рис. 29.14, г). Поэтому среднее значение электромагнитного вращаю­щего момента в двигателе последовательного возбуждения больше, чем в двигателе параллельного возбуждения:

. (29.35)

Электромагнитный момент двигателя последовательного воз­буждения при работе от сети переменного тока имеет постоянную составляющую (рис. 29.14, д) и переменную составляющую , изменяющуюся с частотой, равной удвоенной частоте сети (рис. 29.14, е). Результирующий момент этого двигателя является пульсирующим M

практически не нарушают работу двигателя, включенно­го в сеть переменного тока, так как сглаживаются за счет момента инерции вращающегося якоря.

По своей конструкции универсальные коллекторные двигате­ли отличаются от двигателей постоянного тока тем, что их станина и главные полюсы делаются шихтованными из листовой электро­технической стали. Это дает возможность сократить магнитные потери, которые при работе двигателя от сети переменного тока повышаются, так как переменный ток в обмотке возбуждения вы­зывает перемагничивание всей магнитной цепи, включая станину и сердечники полюсов.

Основной недостаток однофазных коллекторных двигате­лей — тяжелые условия коммутации. Дело в том, что в коммути­рующих секциях помимо реактивной ЭДС и ЭДС внешнего поля (см. § 27.3) наводится трансформаторная ЭДС ,действующее значение которой

. (29.36)

Эта ЭДС наводится переменным магнитным потоком возбуж­дения, сцепленным с коммутирующими секциями. Для уменьше­ния трансформаторной ЭДС необходимо уменьшить поток , а чтобы мощность двигателя при этом осталась прежней, следует увеличить число полюсов в двигателе.

Применение в обмотке якоря двигателя одновитковых секций также способствует ограничению ,но при этом увели­чивается количество пластин в коллекторе, а следовательно, воз­растают его размеры. Применение добавочных полюсов с обмот­кой, включенной последовательно в цепь якоря, позволяет добиться полной взаимной компенсации трансформаторной ЭДС только при определенных значениях тока якоря и частоты враще­ния. При других режимах работы двигателя условия коммутации остаются тяжелыми. Регулировка частоты вращения и реверсиро­вание однофазного коллекторного двигателя выполняются так же, как и в двигателях постоянного тока последовательного возбуждения.

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 двигателя выполняют с ответв­лениями: при работе двигателя от сети постоянного тока обмотка возбуждения используется полностью, а при работе от сети пере­менного тока — частично (рис. 29.15, ).

Расхождения в характеристиках двигателя на постоянном и переменном токе объясняются тем, что при работе от сети пере­менного тока на величину и фазу тока оказывают влияние индук­тивные сопротивления обмоток якоря и возбуждения.

Рис. 29.17. Схема соединений и рабочие характеристики универсального коллекторного двигателя

Однако уменьшение числа витков обмотки возбуждения обеспечивает сближение характеристик лишь при нагрузке, близкой к номи­нальной. На рис. 29.15, б приведены рабочие характеристики уни­версального коллекторного двигателя типа УМТ-22 (55 Вт, 200 об/мин, 110/127 В). Потребляемый двигателем ток при работе от сети переменного тока больше, чем при работе этого же электро­двигателя от сети постоянного тока, так как переменный ток по­мимо активной имеет еще и реактивную составляющую. Коэффи­циент полезного действия универсальных двигателей при переменном токе ниже, чем при постоянном, что вызвано повы­шенными магнитными потерями. Области применения универ­сальных коллекторных двигателей достаточно широки: их приме­няют в автоматике, для привода различного электроинструмента, бытовых электроприборов и др.

Дата добавления: 2015-04-21 ; просмотров: 19 ; Нарушение авторских прав

Характеристики универсального коллекторного двигателя

§ 2.9. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ КОЛЛЕКТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Общие сведения. Универсальным двигателем называется однофазный коллекторный двигатель последовательного возбуждения, предназначенный для работы от сети переменного или постоянного тока. В режиме номинальной нагрузки двигатель имеет одинаковую скорость вращения при работе на переменном и постоянном токах.

Машина постоянного тока с самовозбуждением принципиально может работать от сети переменного тока, так как при изменении направления тока якоря изменяется направление потока обмотки возбуждения, вследствие чего вращающий момент действует в ту же сторону. Однако такая машина имела бы большие магнитные потери и малый вращающий момент. Для получения меньшего сдвига по фазе между током якоря и потоком возбуждения универсальный коллекторный двигатель выполняется только с последовательным возбуждением.

Якорь универсального двигателя идентичен якорю машин постоянного тока. Для уменьшения магнитных потерь вся магнитная система универсального двигателя, включая полюса и ярмо, набирается из изолированных листов электротехнической стали. Обычно обмотка возбуждения ОВ имеет отпайку (рис. 2.78), позволяющую при работе от сети переменного тока уменьшать число витков. Двигатели не имеют дополнительных полюсов и компенсационной обмотки. Для подавления радиопомех предусматриваются фильтры, обычно в виде конденсаторов, включаемых между токопроводящими зажимами и корпусом машины.

Универсальные двигатели дают возможность при питании от сети переменного тока получить весьма высокую скорость вращения и позволяют плавно ее регулировать. Двигатели выполняются на скорости вращения до 40 000 об/мин. Вследствие быстроходности

они имеют малые размеры и вес. Пусковой момент двигателей большой, так как их обмотка возбуждения является последовательной.

Векторная диаграмма при работе от сети переменного тока. Временная векторная диаграмма показывает значение и фазу синусоидально изменяющихся во времени величин, характеризующих установившийся рабочий процесс. Модуль вектора диаграммы численно равен амплитуде величины, которую он представляет. Принято считать, что все векторы диаграммы вращаются против часовой стрелки с угловой скоростью ω. Проекция вектора на вертикальную

Читать еще:  Щеки в двигателе что это

Рис. 2.78. Схема универсального коллекторного двигателя

Рис. 2.79. Векторная диаграмма коллекторного двигателя: а — векторы приведены к началу координат; б — собственно векторная диаграмма

ось дает мгновенное значение синусоидальной величины, которую изображает вектор. В некоторых случаях удобно считать векторы неподвижными, а ось вращающейся.

Углы расположения векторов на временной диаграмме показывают не пространственное направление действия, а временную фазу. На диаграмме 360 геометрических градусов соответствует полному периоду времени. Величины, отстающие по фазе на полпериода, изображаются параллельными, противоположно направленными векторами.

При работе универсального двигателя на переменном токе поток Фв, создаваемый обмоткой возбуждения, пульсирует с частотой сети. Так как в стали магнитопровода имеются потери, то поток Фв отстает от тока I на угол β (рис. 2.79, а).

Подставляя эти равенства в формулу (2.5), находим выражение Вращающего момента универсального коллекторного двигателя при питании его от сети переменного тока:

Из (2.44) следует, что момент М коллекторного двигателя складывается из постоянной составляющей Мср и периодической составляющей Мпер, которая пульсирует во времени с двойной частотой сети (рис. 2.80). Момент имеет положительное значение на отрезке времени, соответствующем углу π — β, и отрицательное — на отрезке, соответствующем углу β. Вследствие механической инерции якорь вращается практически равномерно.

Величина постоянной составляющей пропорциональна косинусу угла β между потоком и током ротора. Для уменьшения угла β универсальных двигателях применяют последовательное возбуждение В этом случае токи обмоток возбуждения и якоря находятся в фазе.

Особенности коммутации при работе универсального двигателя, на переменном токе. При работе универсального двигателя на пе-

ременном токе процесс коммутации значительно усложняется тем, что, кроме реактивной э. д. с, в коммутируемой секции индуктируется трансформаторная э. д. с, возникающая в результате трансформаторного воздействия обмотки возбуждения на якорную. Величина трансформаторной э. д. с. зависит от положения щеток и не зависит от скорости вращения, якоря. Обычно щетки универсального коллекторного двигателя устанавливают на геометрической нейтрали. В этом случае стороны коммутируемой секции находятся на нейтрали, секция охватывает весь поток возбуж-

Рис. 2.80. Момент коллекторного двигателя при питании от сети переменного тока

Рис. 2.81. Изменение тока при коммутации универсального двигателя, работающего от сети переменного тока

дения, и трансформаторная э. д. с. имеет максимальное значение. Все это весьма затрудняет коммутацию.

Если скорость вращения якоря отлична от синхронной, то коммутация происходит при различных значениях тока ia параллельной цепи (рис. 2.81). Реактивная э. д. с. зависит от величины, которую имеет ток ia в момент перехода секции из одной параллельной ветви в другую. В момент, когда ток ia параллельной ветви имеет амплитудное значение, реактивная э. д. с. достигает максимума и равна нулю при ia = 0.

Реактивная э. д. с. находится в фазе с током двигателя. Трансформаторная э. д. с. отстает от потока возбуждения на четверть периода. Таким образом трансформаторная и реактивная э. д. с. сдвинуты по фазе почти на четверть периода.

Для получения удовлетворительной коммутации ограничивают значение трансформаторной э. д. с, которая не должна превышать 3 в. С целью ограничения тока в коммутируемой секции применяют твердые щетки, имеющие большое переходное сопротивление.

Рабочие характеристики. Рабочие характеристики определяют зависимость скорости вращения п, тока I, к. п. д. η и коэффициента мощности cos φ от момента М двигателя, т. е.

п, I, η, cos φ = f(M).

На рис. 2.82 представлены рабочие характеристики универсального двигателя при питании его от сети переменного и постоянного

токов. Характеристики показывают, что при номинальном моменте на валу двигатель развивает одинаковую скорость вращения при питании его от сети переменного и постоянного токов. Механическая характеристика п = f(M) при работе на переменном токе имеет бóльший наклон. Это объясняется увеличением cos φ при увеличении скорости вращения. Коэффициент полезного действия η при работе двигателя на переменном токе ниже, а потребляемый из

сети ток I больше. Активная составляющая переменного тока больше полного тока при работе на постоянном токе на величину составляющей, вызванной потерями в стали машины.

Рис. 2.82. Рабочие характеристики универсального двигателя:

—— при работе на переменном токе;

— — — при работе на постоянном токе

Ухудшение характеристик двигателя при его питании от сети переменного тока связано с влиянием индуктивного сопротиления Σx обмоток якоря и возбуждения. При бóльшей скорости вращения двигатель имеет большую величину э. д. с. вращения и меньшее относительное значение падения напряжения в индуктивных сопротивлениях Σx, поэтому чем выше скорость вращения, тем ближе друг к другу характеристики на переменном и постоянном токах. С целью сближения характеристик уменьшают число витков обмотки возбуждения при работе двигателя на переменном токе, что уменьшает Σx.

Искрение под щетками, радиопомехи и шум универсального двигателя при работе на переменном токе значительно больше.

1. Какие особенности характеризуют процессы в универсальном двигателе при работе от сети переменного тока?

2. При каких условиях момент универсального двигателя в течение всего периода изменения переменного тока имел бы положительное значение?

3. Почему в универсальных двигателях не применяют параллельного возбуждения?

Читать еще:  Что такое стучат пальцы двигателя

4. Чем осложняется процесс коммутации при работе двигателя на переменном токе?

5. Почему универсальный коллекторный двигатель нельзя пускать без нагрузки?

Универсальный коллекторный двигатель

Универсальный коллекторный двигатель (УКД) — разновидность коллекторной машины постоянного тока, которая может работать и на постоянном, и на переменном токе. Получил большое распространение в ручном электроинструменте и в некоторых видах бытовой техники из-за малых размеров, малого веса, лёгкости регулирования оборотов, относительно низкой цены.

Содержание

Особенности конструкции

Строго говоря, универсальный коллекторный двигатель является коллекторным электродвигателем постоянного тока с последовательно включенными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону.

Для возможности работы на переменном токе применяется статор из магнитно-мягкого материала, имеющего малый гистерезис (сопротивление перемагничиванию). Для уменьшения потерь на вихревые токи статор выполняют наборным из изолированных пластин.

Особенностью (в большинстве случаев — достоинством) работы такого двигателя именно на переменном токе (а не на постоянном такого же напряжения) является то, что в режиме малых оборотов (пуск и перегрузка) индуктивное сопротивление обмоток статора ограничивает потребляемый ток и соответственно максимальный момент двигателя (оценочно) до 3—5 от номинального (против 5—10 при питании того же двигателя постоянным током). Для сближения механических характеристик у двигателей общего назначения может применяться секционирование обмоток статора — отдельные выводы (и меньшее число витков обмотки статора) для подключения переменного тока.

Реверсирование УКД осуществляется переключением полярности включения обмоток только статора или только ротора.

Достоинства и недостатки

Сравнение приведено для случая подключения к бытовой однофазной электрической сети 220 вольт и одинаковой мощности двигателей. Разница в механических характеристиках двигателей («мягкость-жёсткость», максимальный момент) может быть как достоинством, так и недостатком в зависимости от требований к приводу.

Достоинства в сравнении с коллекторным двигателем постоянного тока:

  • Прямое включение в сеть, без дополнительных компонентов (для двигателя постоянного тока требуется, как минимум, выпрямление).
  • Меньший пусковой (перегрузочный) ток (и момент), что предпочтительнее для бытовых устройств.
  • Проще управляющая схема (при её наличии) — тиристор (или симистор) и реостат. При выходе из строя электронного компонента двигатель (устройство) остаётся работоспособным, но включается сразу на полную мощность.

Недостатки в сравнении с коллекторным двигателем постоянного тока:

  • Меньший общий КПД из-за потерь на индуктивность и перемагничивание статора.
  • Меньший максимальный момент (может быть недостатком).

Достоинства в сравнении асинхронным двигателем:

  • Быстроходность и отсутствие привязки к частоте сети.
  • Компактность (даже с учётом редуктора).
  • Больший пусковой момент.
  • Автоматическое пропорциональное снижение оборотов (практически до нуля) и увеличение момента при увеличении нагрузки (при неизменном напряжении питания) — «мягкая» характеристика.
  • Возможность плавного регулирования оборотов (момента) в очень широком диапазоне — от ноля до номинального значения — изменением питающего напряжения.

Недостатки в сравнении с асинхронным двигателем:

  • Нестабильность оборотов при изменении нагрузки (где это имеет значение).
  • Наличие щёточно-коллекторного узла и в связи с этим:
    • Относительно малая надёжность (срок службы)
    • Сильное искрение на коллекторе из-за коммутации переменного тока и связанные с этим радиопомехи
    • Высокий уровень шума
    • Относительно большое число деталей коллектора (и соответственно двигателя)

Следует отметить, что в современных бытовых устройствах ресурс электродвигателя (щёточно-коллекторного узла) сопоставим с ресурсом рабочих органов и механических передач.

Сравнение с асинхронным двигателем

Двигатели (УКД и асинхронный) одной и той же мощности, независимо от номинальной частоты асинхронного двигателя, имеют разную механическую характеристику:

  • УКД — «мягкая» характеристика, момент прямо, а обороты обратно пропорциональны нагрузке на валу (потребляемой мощности) — практически линейно — от режима холостого хода до режима полного торможения. Номинальный момент выбирается примерно в 3-5 раз меньшим максимального. Обороты холостого хода ограничиваются только потерями в двигателе и могут разрушить мощный двигатель при включении его без нагрузки.
  • Асинхронный двигатель — «жёсткая» характеристика — двигатель поддерживает близкую к номинальной частоту вращения, резко (десятки процентов) увеличивая момент при незначительном снижении оборотов (единицы процентов). При значительном снижении оборотов (до полного торможения) момент двигателя не растёт, а даже падает, что вызывает полную остановку. Обороты холостого хода постоянны и слегка превышают номинальные.

Механическая характеристика в первую очередь и обуславливает (разные) области применения данных типов двигателей.

Из-за малых оборотов, ограниченных частотой сети переменного тока, асинхронные двигатели той же мощности имеют значительно бо́льшие вес и размеры, чем УКД. Если асинхронный двигатель запитывается от преобразователя (инвертора) с высокой частотой, то вес и размеры обеих машин становятся соизмеримы. При этом остаётся жёсткость механической характеристики, добавляются потери на преобразование тока и, как следствие увеличения частоты, повышаются индуктивные и магнитные потери (снижается общий КПД).

Аналоги без коллекторного узла

Ближайшим аналогом УКД по механической харатеристике является бесколлекторный электродвигатель (вентильный электродвигатель, в котором электронным аналогом щёточно-коллекторного узла является инвертор с датчиком положения ротора (ДПР).

Электронным аналогом универсального коллекторного двигателя является система: выпрямитель (мост), синхронный электродвигатель с датчиком углового положения ротора (датчик угла) и инвертором (другими словами — вентильный электродвигатель с выпрямителем).

Однако из-за применения постоянных магнитов в роторе максимальный момент вентильного двигателя при тех же габаритах будет меньше.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector