Главные аспекты работы и плавного пуска коллекторного двигателя

Электрические приводы с сетевым питанием постоянного тока применяются как генераторы или двигатели. Наибольшее распространение получили электромоторы, способные работать с нагрузками до нескольких тысяч киловатт. К этому типу электрооборудования относятся коллекторные, вентильные и универсальные приводы. Каждый из них обладает своими конструктивными и техническими особенностями, обуславливающими их применение. О коллекторном электродвигателе: его устройстве, принципе работы и режиме пуска будет рассказано в этой статье.

Основные конструктивные элементы

Коллекторная электрическая машина представляет собой оборудование, в котором датчиком углового положения вала и переключателем токовой нагрузки в электроцепях является одно и то же устройство, называемое щёточно-коллекторный узел. Общая структурная схема любого коллекторного двигателя (КД) схожа с другими типами электромоторов. Неподвижную часть называют статором/индуктором/индукторным колесом, подвижную/вращающуюся – ротором/якорем. Структура привода представлена на рисунке:

Статор содержит станину (опорную часть) и главные полюсы. Опорная конструкция служит для фиксации полюсов и щитов шарикоподшипников. Служит компонентом магнитопровода, поскольку является звеном, через который замыкается магнитный поток приводного оборудования. Опорная часть изготавливается из металла, является исключительно прочной и магнитнопроницаемой. Имеет в нижней части опоры, а по окружности специальные отверстия для закрепления сердечников главных полюсов. Как правило, это цельный элемент. Разъемное конструктивное исполнение реализовывается для вариантов с больших габаритов. Это облегчает транспортирование, сборку, обслуживание и ремонт.

Главные полюсы, выполняющие формирование магнитного потока, содержат сердечник и полюсную катушку с намотанным проводом. Со стороны роторного узла сердечник имеет специальный наконечник, распределяющий магнитную индукцию во внутреннем пространстве КД. Сердечники изготавливают из листовой стали. В электродвигателях 220в малой мощности формируют бескаркасные полюса, с непосредственной намоткой электропроводника на предизолированный сердечник. В электромашинах мощностью более одного киловатта катушка представляет собой каркас с намотанным на него проводом.

Структурная схема якорного механизма предусматривает следующие элементы:

• вал;
• сердечник с электрообмоткой;
• коллекторный узел.

Сердечник выполнен в виде шихтованного изделия, набирается из стальных изолированных лаком пластин, которые собирают в единый пакет, запекают и запрессовывают на вал. Подобное решение позволяет снизить вихревые токовые потоки, формирующиеся при вращении в магнитном пространстве. В наружные пазы якорного узла укладывают обмотку, выполненную из медного провода.

Коллекторное устройство – один из ключевых и сложных конструктивных узлов КД. Состоит из медных трапециевидных пластин, собранных в цилиндрическую форму. В зависимости от метода крепления металлических элементов коллекторы могут быть со стальными конусной формы шайбами или на пластмассе (для маломощных эл/машин). Для обеспечения электрического контакта с коллекторным узлом в специальных щеткодержателях размещают щетки с гибким тросиком, осуществляющим включение щеток в электрическую цепь. Для стабильной работы электропривода обеспечивают постоянный надежный контакт между щеточным элементом и коллектором.

Полезные советы

1. Собранную своими руками схему надо обязательно несколько раз проверить на соответствие деталей и очередности их подсоединения. Небольшая ошибка может привести к неприятным последствиям. С электричеством шутки плохи.
2. Но даже после тщательной многоразовой проверки устанавливать прибор на электродвигатель не рекомендуется. Лучше провести тестирование. Каким образом? Для этого вам потребуются три лампочки накаливания мощностью 60-100 ватт, которые соединяются последовательно. Надо добиться результата, чтобы все лампы горели одинаково ярко.
3. Обратите внимание на емкость установленных конденсаторов. Здесь очень важно, чтобы время их включения не имело большой разницы. Допустимое значение до 10%.
4. Время отключения-включения конденсаторов можно отрегулировать резисторами (R). Правда, этот вариант выравнивания можно использовать, если разница времени откл/вкл не меньше 30%.

И вот только после этих манипуляций можно подключать устройство к электродвигателю.

Мнение эксперта

It-Technology, Cпециалист по электроэнергетике и электронике

Задавайте вопросы «Специалисту по модернизации систем энергогенерации»

Плавный Пуск Электродвигателя 380 Вольт Своими Руками Прямой пуск | ✨Мир света в момент запуска электродвигателя, ток питания может превышать номинальный в четыре с половиной-пять раз, что приводит к значительному нагреву обмоток, а это не очень хорошо;. Спрашивайте, я на связи!

Принцип действия

Работа коллекторного двигателя обеспечивается щеточно-коллекторным узлом (ЩКУ). Это связующее звено между электроцепью ротора и наружной питающей сетью. Фактически ЩКУ выполняет функции механического преобразователя переменного токового значения в постоянное и наоборот. Несмотря на то, что КД относятся к устройствам постоянного тока, для их функционирования необходимо наличие переменной токовой величины в роторной электроцепи. Являясь главной функциональной частью мотора, ЩКУ значительно усложняет его конструкцию по сравнению с бесколлекторными приводами. Соответственно, эти типы моторов уступают в надежности и требуют больших затрат на изготовление.

Преобразование, обеспечиваемое ЩКУ, необходимо для того, чтобы в якорной обмотке протекал переменный ток. Только в этом случае происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии. Напряжение от источника постоянного тока подводят к щеткам привода. В результате его контакта с магнитным полем статора появляются электромагнитные силы (ЭМС) Fэм

, создающие на роторе электромагнитный момент
М
. Как результат, якорь начинает вращаться. После его поворота на 180 градусов ЭМС не изменят своего направления. Это связано с тем, что одновременно с переходом каждого проводника обмотки ротора из области одного магнитного полюса в область другого в проводниках меняется направление токового потока.

Схема внутреннего взаимодействия всех элементов ЩКУ представлена в виде упрощенной модели:

В зоне геометрической нейтрали nn’ – середине межполюсной области – магнитная индукция и, соответственно, ЭМС равны нулю. Но с увеличением числа проводников в роторной обмотке, а именно при их равномерном распределении, и увеличением количества пластин коллектора момент вращения становится устойчивым и равномерным.

Сборка схемы управления мотором

При необходимости можно продолжить эксперимент и собрать схему для управления 3-х фазным двигателем, имеющим прямой привод на колесо.

Для этого:

• Из существующего блока усилителя руля автомобиля, работающего на 3-х фазный двигатель, надо изъять блок с силовыми транзисторами.

Применить его как полноценный модуль управления мотором (BLDC) уже не получится.

• Далее подключается блок силовых транзисторов к элементу 2CAN через самодельную плату, оснащенную драйверами управления транзисторами.

Ее можно сделать простым и быстрым способом – с помощью лазерной печати и утюга. Общая схема соединений показана на 8 рисунке.

Поскольку на плате 2CAN сделана разводка не всех выводов данного элемента и микроконтроллера, нужно добавить еще соединений при помощи навесного монтажа. В результате получается конструкция, показанная на рисунке.

Рабочий цикл и его характеристики

Полный рабочий цикл любого электропривода можно разделить на четыре технологических этапа:

• пуск, в течение которого скорость вращения вала/якоря увеличивается от нуля до требуемого показателя;
• рабочий, во время которого мотор работает при неизменном напряжении на зажимах роторной цепи и электроцепи возбуждения;
• регулирования, когда осуществляется воздействие на внутренние цепи (якорного блока или возбуждения) с целью изменения оборотов вала;
• остановки, характеризуемой снижением скорости до нуля.

Согласно приведенной структуре цикла выделяют пусковые, рабочие, регулировочные и тормозные характеристики. Стартовый этап рассматривают относительно параметров пускового момента, тока, продолжительности процесса, стоимости дополнительных устройств и затрат электроэнергии. При этом обеспечивают максимально плавный пуск коллекторного мотора. Основными характеристиками механической энергии эл/двигателя являются вращающий момент и скорость вращения.

Рабочий период оценивается совокупностью зависимостей, включая частоту оборотов вала, токовых параметров привода в роторной электроцепи, полезного вращающего момента, КПД от полезной мощности КД при неизменном напряжении питания и токе в обмотке возбуждения. Регулировочные характеристики определяются пределами, ступенями и способом изменения скоростных параметров. Возможность плавного регулирования оборотов электрической машины в широком диапазоне является одним из самых ценных качеств этой категории электрооборудования. Тормозной режим роторного механизма при отключении питания происходит за счет сил трения. Для ускорения остановки мощных эл/машин реализуют один из способов торможения посредством создания тормозного момента, направленного против вращения якоря.

Схожесть тиристорного пуска с классическими способами пуска электродвигателей

Тиристорный способ пуска похож на пуск при пониженном напряжении, который в прежние времена реализовывался как переключение «звезда — треугольник» или ступенчатый пуск от автотрансформатора. Благодаря тиристорам такой способ пуска не имеет недостатков ступенчатости двух последних способов, но, с точки зрения механических характеристик, не может сдвинуть «горб» области максимального момента к области нулевой скорости, и вынужден мириться с падением пускового момента при ограничении тока.

Тиристорный пуск не похож на пуск мотора с фазным ротором и тем более двигателя постоянного тока с последовательно включенной обмоткой возбуждения (см. выше). В большинстве реальных ситуаций, когда мы модернизируем уже имеющийся механизм с имеющимся двигателем (асинхронным с короткозамкнутым ротором и обмотками, соединёнными в звезду), условно есть только 3 практических способа «умягчения» пуска:

• Автотрансформатор — на практике случаи применения автору не известны ни в советское, ни в настоящее время.
• Собственно устройство плавного пуска (УПП), позволяющее, в отличие от первого способа, гибко настраивать условия пуска на конкретном механизме под его уникальные условия.
• Частотный привод (преобразователь). Снижая стартовую частоту до единиц герц, мы, будучи также зажатыми «горбатой» характеристикой зависимости момента от скольжения, можем снизить пусковой ток, потребляемый из сети питания, до значений не выше номинального, даже при пуске под нагрузкой. Подробности пусковых (и не только пусковых) свойств частотных преобразователей — тема отдельной статьи.

Пуск и его характеристики

Свойства электрических приводов определяются всеми четырьмя перечисленными выше группами характеристик: пусковыми, рабочими, механическими и регулировочными. Пусковые определяют работу эл/привода от включения до перехода к установившемуся режиму работы. При запуске коллекторного двигателя необходимо обеспечить выполнение следующих условий:

• стартовый момент КД должен быть больше моментной величины статической нагрузки; в случае их равенства разгон прекращается;
• максимальная токовая нагрузка и моментная величина на старте должны находиться в диапазоне допустимых пределов.

В соответствии с условиями работы щеточного контакта допустимое токовое значение составляет 2,5 IN – для приводов мощностью до 5 кВт и 1,5-2,0 IN – для более мощных эл/моторов. Согласно ограничениям питающей сети или ускорений механизма, допустимые показатели тока и момента могут быть еще более снижены. Но чрезмерно малое значение стартовых величин также нежелательно по причине снижения начального момента и затягивания процесса разгона.

Любой запуск начинается с режима короткого замыкания, при котором роторная обмотка включена в сеть, а сам вал неподвижен. То есть электродвижущая сила равна нулю. В этом случае токовый показатель цепи якорного механизма определяется в соответствии с законом Ома:

Iкз = U/ra

Поскольку на естественной характеристике электросопротивление якоря очень мало, величина пусковой токовой нагрузки равна: Iкз = (10–15) IN. В отдельных случаях она может превышать номинальное значение в сорок раз. Такая нагрузка опасна для эл/двигателя, поскольку может вызвать «круговой огонь» на коллекторе и развить чрезмерно большой пусковой момент, оказывающий ударные воздействия на вращающиеся части механизма. Помимо этого Iкз

вызывает резкое падение сетевого напряжения, что негативно влияет на других потребителей сети.

Из приведенного выше уравнения следует, что плавный пуск коллекторного мотора осуществляется или снижением напряжения на обмотке якоря, или увеличением эл/сопротивления. При сетевом питании применяют включение пускового сопротивления. Для этого в электроцепь якоря вводят внешнее эл/сопротивление Rпр

в виде резистора, что выражается формулой:

Iкз = U/(Rпр + ∑r).

Параметры Rпр

подбирают таким образом, чтобы
Iкз
не превысил допустимых токовых величин. Выбранное эл/сопротивление удовлетворяет условиям только начального пуска. Как только ротор начинает вращаться, в его электроцепях индуцируется ЭДС, ограничивающая токовый параметр ротора. Одновременно это вызывает уменьшение начального момента. Поэтому принимают меры для уменьшения
Rпр
путем включения резистора переменного эл/сопротивления, называемого пусковым реостатом. Реостат имеет ступенчатую регулировку и позволяет изменять эту характеристику от максимального до минимального значения.

Запуск электроприводов мощностью 0,7-1,0 кВт при условии их включения без нагрузки осуществляют непосредственным включением в сеть. Безреостатный старт для маломощного электрооборудования опасности не представляет. Это объясняется относительно невысоким стартовым током, который благодаря повышенному эл/сопротивлению роторной обмотки и небольшим вращающимся массам превышает номинальный параметр в три-пять раз. К тому же продолжительность разгона такого типа мотора также невелика и действие Iкз

кратковременно.

Вторым способом запуска – регулированием напряжения – пользуются только при наличии индивидуального источника электроэнергии, допускающего регулирование подводимого к приводу напряжения. Примером может быть система «преобразователь-двигатель». Этот метод применяется для эл/моторов средней и большой мощности.

Как переделать автомобильный генератор в электродвигатель

Обычно генератор не способен работать как двигатель, если подать на него напряжение. Однако у него есть одно важное достоинство – он практически не создает никакого сопротивления вращению, если на него не подавать никакого тока.

Для превращения его в малогабаритный, но довольно мощный мотор, его придется доработать. Последовательность действий:

1. С задней стороны генератора аккуратно снимается пластиковый внешний кожух.

Под ним размещается 3-х фазный мост выпрямительных диодов, он закрепляется на радиатор. Там же есть щеточный узел, оснащенный контроллером, регулирующим напряжение на выходе.

2. Откручивается радиатор вместе с диодами.

У модели генератора, рассчитанного на 95 Ампер, контролер и щетки имеют один общий корпус, сделанный из пластика. Здесь могут понадобиться кусачки для ускорения процесса удаления.

3. Надо отпилить от контроллера щетки.

Генератор сделан по типу коллекторного мотора. Оснащен 6 выводами от 3-х обмоток на статоре.

4. Для включения обмотки «треугольником» надо соединить их все последовательно друг с другом.

Из генератора удаляется диодный мост, а также схема регулятора напряжения.

5. После этого все элементы устанавливаются на свои места.

Все аккуратно собирается в обратной последовательности. Генератор стал иметь вид как на 5 рисунке.

Скрепка, которая торчит из его задней крышки, является фиксатором подпружиненных щеток, находящихся в заглублении. Благодаря этому легче устанавливается задняя крышка. Ничего при этом не ломается.

6. В конце процедуры сборки скрепка просто вытягивается.

Щетки прочно фиксируются в нужном положении и упираются в коллектор.

В результате манипуляций мы получили самый обычный коллекторный, 3-х фазный электродвигатель на 12 В, мощностью около 1,5 кВт.

Процесс плавного пуска

Мягкий пуск КД с минимальным временем обеспечивают посредством многоступенчатого пускового процесса. Количество ступеней допустимо выбирать произвольно. Оптимальным числом циклических этапов считается не более пяти. При резком уменьшении сопротивления происходит значительный бросок Iкз,

что может привести к нарушению коммутации. Для обеспечения запуска принимают во внимание одно из допустимых критических значений пускового момента – максимальное или минимальное, то есть:

Мп мин = (1,2–1,5) Мс ; Мп макс ≤ Мдоп.

Каждому этапу соответствует собственная характеристика. Плавный пуск коллекторного электропривода производится следующим образом. При подаче электропитания на КД бросок моментной величины достигает допустимого максимума. Начинает набор скорости по первой характеристике. После достижения минимального значения момента машина переключается, часть электросопротивления выводится из якорной цепи (шунтируется).

На следующей циклической ступени моментную величину снова увеличивают до максимального параметра, а при его уменьшении до минимума электродвигатель опять переключается, и очередная часть сопротивления шунтируется. Этот процесс повторяется до тех пор, пока электропривод не разгонится до рабочих оборотов. Для того, чтобы исключить превышение допустимых моментных пределов, необходимо правильно рассчитать эл/сопротивление.

Старт и управление электроприводом в производственных условиях часто автоматизируют. Переключение ступеней реостата осуществляется контакторами, которые своими контактами по мере разгона мотора шунтируют элементы реостата при переключении ступеней резистора. Для управления скоростью эл/привода применяют частотные преобразователи, сервоприводы, а для сложных приводных систем используют логические программируемые контроллеры. Выбор того или иного способа управления зависит от задачи, которую должен выполнять электропривод.

Прямой запуск

В электросхеме прямого пуска машина непосредственно подключена к сетевому напряжению питания.

Какое освещение Вы предпочитаете

ВстроенноеЛюстра

На схеме выше показана характеристика пускового тока при прямом старте. При таком подключении повышение температуры в обмотках машины минимальное.

Подключение осуществляется с помощью контактора (пускателя). В схеме применяется реле перегрузки для защиты электродвигателя. Однако такой метод применим, когда нет ограничений по току.

Во время старта машины пусковой момент ограничивают, чтобы сгладить резкий рывок, вследствие которого могут выйти из строя механические части привода и подсоединенные механизмы.

По этой причине производители крупных электродвигателей запрещают их прямой пуск.

Способы мягкого старта

Рассмотренный выше плавный пуск коллекторного мотора относится к классическому реостатному методу, подходящему как для постоянного, так и переменного тока. Его отрицательные стороны заключаются в потере значительной части мощности на нагрев сопротивления реостата и громоздкости устройства. Поэтому такой способ практически и экономически оправдан только для запуска эл/привода, но не регулирования рабочих параметров скорости. В общем случае запуск приводных устройств и электроинструментов может выполняться и другими методами с применением:

• трансформаторов;
• полупроводниковых ключей.

Использование трансформаторов допустимо только для объектов переменного тока. Его преимущество состоит в повышенной электрической безопасности при работе с электроинструментом. Минус такого метода заключается в достаточно больших размерах и стоимости, даже при самостоятельном изготовлении.

Применение полупроводниковых ключей – самый современный и недорогой способ плавного старта. Их основная особенность заключается в отсутствии механических контактов и высокой скорости переключения. Силовые ключи способны работать с большими токовыми нагрузками и напряжением. Они практически не нагреваются, потребляют минимум электроэнергии и являются лучшим вариантом для электродвигателей современных электрических инструментов. Существует три типа силовых ключей:

• тиристоры и симисторы;
• полевые транзисторы MOSFET с изолированным МОП затвором;
• транзисторы IGBT.

Тиристоры и симисторы предназначены для регулирования мощности в цепях с переменными токовыми значениями. Мощные полевые транзисторы MOSFET управляют параметрами сетевого тока изменением ширины открывающихся импульсов. Этот тип устройств находит свое применение при электропитании постоянным током. Для инструмента с большой мощностью применяют биполярные транзисторы IGBT с изолированным затвором.

Источник питания и проверка устройства

В качестве источника питания лучше использовать семиамперный аккумулятор на 12 В. Через предохранитель с параметром в 30 А подается ток на схему. Обороты генератора получаются в диапазоне от 0 до 420 оборотов в минуту. Если на шкив генераторного устройства натянуть колесо сечением 20 см, обеспечивается максимальная скорость в 16 км в час.

Далее подключается генератор. Самым элементарным методом можно оценить крутящий момент, который способен он развить. Для этого надо попытаться поднять груз, подвешенный за веревку к генераторному шкиву.

Две 5-литровые бутылки, наполненные водой, если использовать диаметр в 5,5 см, генератор с легкостью поднимает емкости на высоту 50 см примерно на 3 секунды. Ток от аккумулятора показывает при этом 16 Ампер, напряжение падает до 11 В. Получается, что аккумулятор слабоват для данного груза.

Выходит, что гарантируется крутящий момент приблизительно 2,75 ньютона на метр, показывается при этом 3 оборота за 1 секунду.