Двигатель постоянного тока как подключить

Особенности подключения двигателя постоянного тока

Широко распространенные сейчас в быту и на производстве электродвигатели постоянного тока имеют много достоинств, но отличаются высокими пусковыми токами. Существует несколько распространенных вариантов подключения таких электромоторов.

Благодаря отличным тяговым возможностям электрических двигателей постоянного тока собранное на их основе электрооборудование получило широкое распространение, как в быту, так и на производстве. Такие моторы часто можно встретить в современных детских игрушках, вентиляторах, электроинструментах и автономных промышленных электроустановках. Они являются неотъемлемой частью систем управления и электрификации автомобилей. В качестве источника питания обычно используются батарейки или разноемкостные аккумуляторы.

Двигатель постоянного тока также имеет много других достоинств, среди которых:

• простая регулировка частоты вращения;
• возможность мягкого пуска и плавного увеличения оборотов;
• способность разгоняться до скорости свыше трех тысяч оборотов в минуту.

Несмотря на все эти преимущества, электромотор постоянного тока имеет более сложную конструкцию, чем асинхронный силовой агрегат переменного тока на 380 или 220 вольт, что подразумевает некоторые сложности в его эксплуатации. Кроме того, здесь есть опасность возникновения пусковых токов значительной величины, поэтому существуют разные способы подключения двигателей постоянного тока, каждый из которых имеет свои особенности и нюансы. Чтобы лучше их понять, рассмотрим более детально конструкцию, принцип работы и подключение двигателя постоянного тока.

Конструкционные особенности электромотора постоянного тока

Любой двигатель электрический состоит из двух основных деталей – статора (станины) и ротора (якоря). Как правило, у распространенных сейчас современных моторов на 12 или 22 вольта статор изнутри покрыт тонкими листами из электротехнической стали, изолированными между собой с помощью специального лака. Они образуют отдельные полюса и обмотки, заканчивающиеся расширениями в виде наконечников, которые способствуют равномерному распределению электромагнитной индукции в воздушной прослойке между статорной и роторной частью. В зависимости от конструкции и мощности электромотора, обмотка может состоять из многочисленных витков тонкого провода или же из меньшего числа витков более толстого провода.

В качестве ротора обычно используется установленный на валу цилиндр с зубчатой структурой. Он помещается внутрь статора, но располагается на некотором расстоянии от него. Ротор тоже производится из тонких стальных листов с изоляцией и вентиляционными зазорами между отдельными пакетами. Якорные пазы соединяются медными проводниками. Кроме того, обязательным условием для якоря электромотора постоянного тока П или ПЛ серии является наличие обмотки двухслойного типа.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Функционирование всех современных электромоторов базируется на принципах электромагнитной индукции и так называемом «правиле правой руки», когда ротор начинает вращаться при пропускании разнонаправленного тока вверху и внизу роторной обмотки. Согласно данному правилу, уложенные в якорные пазы проводники выталкиваются из генерируемого статором магнитного поля, тем самым придавая ускорение ротору эл двигателя.

Получается, что верхняя часть обмотки ротора начинает выталкиваться в левую сторону, а нижняя часть – в правую. Эта энергия передается непосредственно валу электромотора, вокруг которого закреплена обмотка, и тот совершает вращательное движение. Однако вращение прекращается, когда ротор проворачивается, и якорные части меняются местами. Для поддержки оборотов в электрическом двигателе постоянного тока П используется коллектор, с помощью которого производится коммутация роторной обмотки.

Теперь рассмотрим наиболее распространенные способы подключения двигателя постоянного тока. Обратите внимание, что оптимальная схема подключения к сети или аккумулятору должна соответствовать мощности силового агрегата. Различают устройства малой, средней и большой мощности.

Прямой пуск электромотора

Маломощный электрический мотор (до одного киловатта) проще всего включить напрямую. Как и подключение трехфазного двигателя 380В, такой запуск электромотора постоянного тока П предусматривает подачу напряжения от источника питания непосредственно на рабочую обмотку. Поскольку отсутствует естественная компенсация за счет противодействующей электродвижущей силы, пусковой ток достигает максимального значения.

Если рассматривать прямое включение с точки зрения физики, то ситуация выглядит следующим образом. Изначально при старте мотора сила тока имеет значение, определяемое по формуле: І=U/R, где U – номинальное напряжение, R – сопротивление катушек. При этом токовая нагрузка достигает максимальной величины и может более чем в два раза превышать номинал.

Дальнейшее протекание тока инициирует возникновение электродвижущей силы противодействия, которая выступает в роли своеобразного тормоза, нормализующего стартовую нагрузку до номинальной мощности. Расчет силы тока теперь выполняется по другой формуле: І=U-Е/R, где Е – ЭДС противодействия.

В мощных силовых агрегатах, например, крановых двигателях ДК213МД2 сопротивление роторных обмоток может достигать одного Ома, что провоцирует возникновение пускового тока до 500 ампер, что в десятки раз превышает допустимое значение. Это может вызвать термическое опускание металла, оплавление и деформацию проводов, порчу контактных щеток и колец, а также создает повышенную опасность поражения электрическим током обслуживающего персонала. Поэтому для включения электромоторов средней (например, серии Д) и большой мощности рекомендуется использовать реостаты, специальные регуляторы или заведомо низкое напряжение. Прямой пуск для них противопоказан.

Подключение через микросхему Arduino

Двигатели малой мощности также можно запускать с помощью специальных функциональных платформ. Таким распространенным сейчас способом является подключения моторчика постоянного тока к Ардуино. Напрямую через Arduino подключение лучше не делать, поскольку велика вероятность повредить микросхему. Рекомендуется использовать Н-мост или транзисторы. Такая технология внедрения электромоторов в функциональные контуры предоставляет много возможностей для управления и приведения в движение рабочих частей электромашин, современных транспортных средств и роботизированных механизмов. Можно контролировать не только скорость оборотов моторчика, но и направление его движения.

Прямое подсоединение к выходным портам платформы может не только вызвать их перегорание, но также сведет функциональные возможности управления электромотором к минимуму. Через каждый такой порт может подаваться ток величиной около двадцати миллиампер, а для нормальной работы даже самого компактного электрического моторчика требуется во много раз больше. Поэтому мотор нужно подключить к Ардуино последовательно через регулятор силы подаваемого тока.

Выбирая подходящий двигатель для подключения к микроконтроллеру, следует обратить внимание на следующие характеристики:

• потребляемый ток, необходимый для нормального функционирования оборудования;
• напряжение номинальное (наиболее распространенное для таких систем – 12 вольт);
• вращательный момент – чем он больше, тем мощнее агрегат;
• скорость оборотов вала электромотора;
• вес и габариты – предпочтение сейчас отдается миниатюрным моделям.

Легче всего осуществляется последовательное подключение к Ардуино стандартного щеточного электромотора постоянного тока, рассчитанного на силу тока до 5A и рабочее напряжение около 9B. Для этого часто используют транзисторную систему. Но она позволяет только контролировать скорость оборотов. Подключение к микроконтроллеру через H-мост дает возможность также регулировать и направление вращения.

Включение через пусковой реостат

Такая схема подключения предусматривает наличие в пусковой цепи электромотора дополнительного устройства, создающего переменное сопротивление. Есть несколько способов, как подключить его и какое именно устройство использовать. Но цель здесь одна – обеспечить снижение токовой нагрузки на старте до достижения валом оптимальной скорости вращения. В процессе стабилизации силы тока сопротивление реостата должно меняться от максимума до минимума. Расчет производится по формуле: І=U/R+R(реостата).

Многим наверняка известны еще со школьных занятий по физике подобные опыты, когда сопротивление менялось вручную путем перемещения ползунка реостата. Однако на производстве такой способ малоэффективен и плохо согласовывается с токовыми величинами, поэтому применяется редко. Чаще используется вариант подключения с регулировкой по току или по электродвижущей силе в обмотках возбуждения. Также распространен монтаж к реле времени, где независимое управление отдельными ступенями осуществляется посредством временной выдержки.

Отличительной особенностью силовых агрегатов переменного тока (в отличие от рассчитанных на переменку 3ф или напряжение тока 220 вольт) – это наличие обмоток возбуждения. Перечисленные выше способы подключения применимы для электромоторов всех типов возбуждения:

• независимого;
• параллельного;
• последовательного;
• смешанного.

Но здесь есть некоторые нюансы. Моторы независимого возбуждения нельзя запускать на холостом ходу или при малых нагрузках, иначе агрегат будет поврежден от резко возросшей скорости вращения. При параллельном подсоединении через обмотку возбуждения проходит намного меньший ток, чем через роторную часть, поэтому мотор имеет жесткие характеристики, полезные для станков или вентиляторов. Если соединить ротор и обмотку возбуждения последовательно, то по ним будет протекать ток одинаковой величины. Такой силовой агрегат, распространенный в современном электротранспорте, имеет хорошие пусковые свойства, но тоже боится запуска на холостом ходу.

Устройство и принцип работы двигателя постоянного тока

Конструкция электродвигателя постоянного тока состоит из следующих элементов:
3. корпус электродвигателя, который чаще всего выполняется из чугуна, так как данный материал обеспечивает возможность эксплуатации электродвигателя в местах с агрессивной средой и обладает высоким уровнем устойчивости к износам. Также для улучшения корпус двигателя может изготавливаться со специальными ребрами, которые обеспечивают термический баланс электродвигателя. Полюсы, образующие индуктор, а также якорь, устанавливаются в корпус двигателя.
• вентилятор охлаждения, обеспечивающий поддержание низкой рабочей температуры;

Способы подключения электродвигателя постоянного тока

В кабельный ввод заводим два двухжильных кабеля с жилами серого и синего цветов. Выполняем зачистку кабеля и жил, после чего надеваем на них кабельные наконечники.

Принцип работы коллекторного электродвигателя постоянного тока

При одновременной смене полярности в цепях возбуждения и якоря направление вращения не изменится.

Какие существуют схемы подключения электродвигателей постоянного тока

В домашнем хозяйстве редко встретишь мотор, работающий на постоянном токе. Зато они всегда устанавливаются в детских игрушках, которые летают, ездят, шагают и т.д. Всегда они стоят в автомобилях: в различных приводах и вентиляторах. В электротранспорте чаще всего используют тоже их.

Другими словами, применяются двигатели постоянного тока там, где требуется достаточно широкий диапазон регулирования скорости и точность ее поддержания.

Электродвигатели постоянного тока

Электрическая мощность в моторе преобразуется в механическую, заставляющую его вращаться, а часть этой мощности расходуется на нагревание проводника. Конструкция двигателя электрического постоянного тока включает якорь и индуктор, которые разделяют воздушные зазоры. Индуктор, состоящий из добавочных и главных полюсов, и станины, предназначен для создания магнитного поля. Якорь, собранный из отдельных листов, обмотка рабочая и коллектор, благодаря которому постоянный ток подводится к рабочей обмотке, образуют магнитную систему. Коллектор – это насаженный на вал двигателя цилиндр, собранный из изолированных друг от друга медных пластин. К его выступам припаиваются концы обмотки якоря. Ток с коллектора снимается при помощи щеток, закрепленных в определенном положении в щеткодержателях, благодаря чему обеспечивается нужный прижим на поверхность коллектора. Щетки с корпусом двигателя соединяются с помощью траверса.

Щетки, в процессе работы, скользят по поверхности вращающегося коллектора, переходя от одной его пластины к другой. При этом, в параллельных секциях обмотки якоря происходит изменение тока (когда щетка накоротко замыкает виток). Процесс этот называют коммутацией.

Под влиянием своего магнитного поля, в замкнутой секции обмотки возникает ЭДС самоиндукции, вызывающая появление дополнительного тока, который на поверхности щеток распределяет неравномерно ток, что приводит к искрению.

Частота вращения – одна из важнейших его характеристик. Ее регулировать можно тремя способами: изменяя поток возбуждения, изменяя величину подводимого напряжения к двигателю, изменяя сопротивление в якорной цепи.

Два первых способа встречаются намного чаще третьего, ввиду его неэкономичности. Ток возбуждения регулируется при помощи любого устройства, у которого возможно изменять активное сопротивление (например, реостата). Регулирование при помощи изменения напряжения требует наличие источника постоянного тока: преобразователя или генератора. Такое регулирование применяют во всех промышленных электроприводах.

Торможение электрического двигателя постоянного тока

Для торможения электроприводов с ДПТ также есть три варианта: торможение противовключением, динамическое и рекуперативное. Первое происходит за счет изменения полярности тока в обмотке якоря и напряжения. Второе происходит благодаря замыканию накоротко (через резистор) обмотки якоря. Электрический двигатель при этом работает как генератор, преобразуя в электрическую, запасенную им механическую энергию, которая выделяется в виде тепла. Это торможение сопровождается мгновенной остановкой двигателя.

Последнее происходит, если электрический мотор, включенный в сеть, вращается со скоростью, которая выше скорости холостого хода. ЭДС обмотки двигателя в этом случае, превышает значение напряжении я в сети, что приводит к изменению на противоположное направление тока в обмотке мотора, т.е. двигатель отдает в сеть энергию, переходя в режим генератора. Одновременно возникает тормозной момент на валу.

Преимущества двигателей постоянного тока

Сравнивая их с асинхронными моторами, нужно отметить отличные пусковые качества, высокую (до 3000 об/мин) частоту вращения, а также хорошую регулировку. Из недостатков отметить можно? Сложность конструкции, низкую надежность, высокую стоимость и затраты на ремонт и обслуживание.

Принцип действия ДПТ

ДПТ, как и любой современный мотор, работает на основе «Правила левой руки», с которым все знакомы еще со школы и закона Фарадея. При подключении тока к нижней обмотке якоря в одном направлении, а к обмотке верхней – в другом, якорь начинает вращаться, а уложенные в его пазах проводники – выталкиваться магнитным полем статора или обмоток корпуса двигателя постоянного тока. Вправо выталкивается нижняя часть, а влево – верхняя. В результате якорь вращается до тех пор, пока его части не поменяются местами. Чтобы добиться непрерывного вращения, необходимо полярность обмотки якоря регулярно менять местами. Как раз этим и занимается коллектор, коммутирующий при вращении обмотки якоря. На коллектор от источника подается напряжение через пару прижимных щеток из графита.

Принципиальные схемы ДПТ

Двигатель переменного тока подключается просто, в отличие от ДПТ. Обычно у таких двигателей высокой и средней мощности имеются отдельные выводы в клеммной коробке (от обмотки и якоря). На якорь обычно подается полное напряжение, а на обмотку — ток, регулировать который можно реостатом или напряжением переменным. От величины тока, имеющегося на обмотке возбуждения, прямопропорционально зависят обороты двигателя переменного тока.

В зависимости от того, какая используется схема подключения электродвигателя постоянного тока, двигатель электрический может быть постоянного тока, разделяют на самовозбуждающиеся и с независимым возбуждением (от отдельного источника).

Схема для подключения двигателя с возбуждением параллельным

Она аналогична предыдущей, но не имеет отдельного источника питания.

Когда требуется большой пусковой ток, применяют двигатели с возбуждением последовательным: в городском электротранспорте (троллейбусах, трамваях, электровозах).

Токи обоих обмоток в этом случае одинаковы. Недостаток – требуется постоянная нагрузка на вал, поскольку при ее уменьшении на 25%, резко увеличивается частота вращения и происходит отказ двигателя.

Есть еще моторы, которые крайне редко используются — со смешанным возбуждением. Их схема представлена ниже.

Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением

Под понятием «возбуждение» понимают создание в электрических машинах магнитного поля, которое необходимо, чтобы заработал двигатель. Схем возбуждения несколько:

• С независимым возбуждением (питание обмотки происходит от постороннего источника).
• Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением (источник питания обмотки возбуждения и якоря включены параллельно) – шунтовые.
• С последовательным возбуждением (обе обмотки включены последовательно) – сериесные.
• Со смешанным возбуждением – компаундные.

Бесщеточные моторы

Но, двигатель со щетками, которые быстро изнашиваются и приводят к искрению, не может использоваться там, где необходима высокая надежность, поэтому среди электротранспорта (электровелосипедов, скутеров, мотоциклов и электромобилей) наибольшее применение нашли бесщеточные электродвигатели. Они отличаются высоким КПД, невысокой стоимостью, хорошей удельной емкостью, длительным сроком службы, малыми размерами, бесшумной работой.

Работа этого двигателя основывается на взаимодействии магнитных полей электромагнита и постоянного. Когда за окном 21 век, а вокруг полно мощных и недорогих проводников, логично заменить механический инвертор цифровым, добавить датчик положения ротора, решающий в какой момент на конкретную катушку необходимо подать напряжение, и получить бесщеточный электродвигатель постоянного тока. В качестве датчика чаще используется датчик Холла.

Поскольку в этом двигателе удалены щетки, он не нуждается в регулярном обслуживании. Управляется двигатель постоянного тока при помощи блока управления, позволяющего изменять частоту вращения вала мотора, стабилизировать на определенном уровне обороты (независимо от имеющейся на валу нагрузки).

Как подключить двигатель постоянного тока?

Зарегистрируйте новую учётную запись в нашем сообществе. Это очень просто!

Войти

Уже есть аккаунт? Войти в систему.

Последние посетители 0 пользователей онлайн

Ни одного зарегистрированного пользователя не просматривает данную страницу

• Уже зарегистрированы? Войти
• Регистрация

Главная

Активность

• Создать.

Важная информация

Мы разместили cookie-файлы на ваше устройство, чтобы помочь сделать этот сайт лучше. Вы можете изменить свои настройки cookie-файлов, или продолжить без изменения настроек.