Меню

Для двигателя постоянного тока вычислить



Электродвигатель постоянного тока

Основные параметры электродвигателя постоянного тока

  • Постоянная момента
  • Постоянная ЭДС
  • Постоянная электродвигателя
  • Жесткость механической характеристики

Постоянная момента

  • где M — момент электродвигателя, Нм,
  • – постоянная момента, Н∙м/А,
  • I — сила тока, А

Постоянная ЭДС

Направление ЭДС определяется по правилу правой руки. Направление наводимой ЭДС противоположно направлению протекающего в проводнике тока.

Наведенная ЭДС последовательно изменяется по направлению из-за перемещения проводников в магнитном поле. Суммарная ЭДС, равная сумме ЭДС в каждой катушке, прикладывается к внешним выводам двигателя. Это и есть противо-ЭДС. Направление противо-ЭДС противоположно приложенному к двигателю напряжению. Значение противо-ЭДС пропорционально частоте вращения и определяется из следующего выражения: [1]

  • где E— электродвижущая сила, В,
  • Ke– постоянная ЭДС, В∙с/рад,
  • w— угловая частота, рад/с

Постоянные момента и ЭДС в точности равны между собой KT = KE. Постоянные KT и KE равны друг другу, если они определены в единой системе едениц.

Постоянная электродвигателя

Одним из основных параметров электродвигателя постоянного тока является постоянная электродвигателя Kм. Постоянная электродвигателя определяет способность электродвигателя преобразовывать электрическую энергию в механическую.

  • где — постоянная электродвигателя, Нм/√ Вт ,
  • R — сопротивление обмоток, Ом,
  • – максимальный момент, Нм,
  • — мощность потребляемая при максимальном моменте, Вт

Постоянная электродвигателя не зависит от соединения обмоток, при условии, что используется один и тот же материал проводника. Например, обмотка двигателя с 6 ветками и 2 параллельными проводами вместо 12 одиночных проводов удвоят постоянную ЭДС, при этом постоянная электродвигателя останется не изменой.

Жесткость механической характеристики двигателя

  • где — жесткость механической характеристики электродвигателя постоянного тока

Напряжение электродвигателя

Уравнение баланса напряжений на зажимах двигателя постоянного тока имеет вид (в случае коллекторного двигателя не учитывается падение напряжения в щеточно-коллекторном узле):

  • где U — напряжение, В.

Уравнение напряжения выраженное через момент двигателя будет выглядеть следующим образом:

Соотношение между моментом и частотой вращения при двух различных напряжениях питания двигателя постоянного тока неизменно. При увеличении частоты вращения момент линейно уменьшается. Наклон этой функции KTKE/R постоянный и не зависит от значения напряжения питания и частоты вращения двигателя.

Благодаря таким характеристикам упрощается управление частотой вращения и углом поворота двигателей постоянного тока. Это характерно для коллекторных и вентильных двигателей постоянного тока, что нельзя сказать о двигателях переменного тока и шаговых двигателях [1].

Мощность электродвигателя постоянного тока

Упрощенная модель электродвигателя выглядит следующим образом:

Общая мощность электродвигателя

  • где I – сила тока, А
  • U — напряжение, В,
  • M — момент электродвигателя, Н∙м
  • R — сопротивление токопроводящих элементов, Ом,
  • L — индуктивность, Гн,
  • Pэл — электрическая мощность (подведенная), Вт
  • Pмех — механическая мощность (полезная), Вт
  • Pтеп — тепловые потери, Вт
  • Pинд — мощность затрачиваемая на заряд катушки индуктивности, Вт
  • Pтр — потери на трение, Вт

Механическая постоянная времени

Механическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое частота вращения ненагруженного электродвигателя достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

  • где — механическая постоянная времени, с

Источник

Расчет и экспериментальное исследование двигателя постоянного тока

Расчётно-экспериментальная работа № 8

1. Краткие теоретические сведения

Назначение и принцип действиядвигателя.

Внешний вид и конструкциядвигателя.

Способы включения обмотки возбуждения

Основные характеристики двигателя.

2. Задание на расчет

3. Пример расчета двигателя

4. Контрольные вопросы

1. Краткие теоретические сведения

Назначение и принцип действиядвигателя. Двигатели постоянного тока до сих пор находят широкое применение, хотя они значительно дороже и менее надёжны, чем асинхронные и синхронные. Их широко используют в электротранспорте, для привода прокатных станов, металлорежущих станков и т. д. Двигатели небольшой мощности применяют во многих системах автоматики.

Преимущество ДПТ — возможность плавного и экономичного регулирования в широком диапазоне частоты вращения вала и создания боль­шого пускового момента при относительно небольшом пусковом токе.

НедостатокДПТ- наличие щёточно-коллекторного аппарата, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надежность машины.

Принцип действия двигателя иллюстрирует рис.1. Основные части двигателя: статор и ротор, рис.1 а). Статор (неподвижная часть) представляет собой полый стальной цилиндр, на котором установлен постоянный магнит с северным полюсом N сверху и южным полюсом S снизу. Внутри статора на валу размещен ротор (вращающаяся часть). Он представляет собой сплошной стальной цилиндр с пазами, внутри которых размещены витки обмотки. Концы каждого витка оформлены в виде медных полосок коллектора, закрепленного на валу. К полоскам подводится с помощью медно-графитовых щеток ток I от внешнего источника напряжения U. При протекании тока I виток поворачивается вместе с ротором по часовой стрелке под действием сил Ампера.

Рис.1 б) иллюстрирует силы Ампера и связанное с ними правило левой руки: если магнитные силовые линии В входят в ладонь сверху, а четыре пальца руки показывают направление тока I в проводе, то большой палец покажет направление действия силы Ампера f на провод. Под действием вращающего момента, обусловленного силами Ампера, ротор на валу начинает вращаться, его вращение передается рабочему механизму РМ с помощью ленточной или шестеренчатой передачи.

Рис.1. Принцип действия двигателя ПТ и правило левой руки

Конструкция и внешний вид двигателя. На рис. рис.2.а) показана конструкция двигателя (постоянный магнит заменен на электоромагнит), на рис. 2 б) – его внешний вид.

Рис. 2. Конструкция и внешний вид двигателя

Основными частями двигателя постоянного тока являются статор и якорь, отдалённые друг от друга воздушным зазором (0,3…0,5 мм), рис. 2, а).

Статор- это стальной ци­линдр 1, внутри которого крепятся главные по­люса 2 с полюсными наконечниками 3, образуя вместе с корпусом маг­нитопровод машины. На главных полюсах расположены после­до­вательно соединённые обмотки возбуждения 4 электромагнита, предназначенного для создания постоянного магнитного потока Фв машины. Концы И1 и И2 обмотки возбуждения (ОВ) выводят на клем­мный щиток, расположенный на корпусе машины.

Помимо основных полюсов внутри статора располагают дополнительные полюса 9 с обмотками 10, которые служат для уменьшения искрения в скользящих контактах (между щётками и кол­лек­тором).

Ротор— это цилиндр 5, набранный из лис­­­­тов электротехнической стали, снаружи которого имеются пазы, в которые уложена обмотка 11, рис. 2.а). Отводы обмотки якоря припа­ива­ют к пластинам коллектора 6, расположенного на вращающемся в подшипни­ках валу 7.

Коллектор представляет собой цилиндр, набранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала и закреплённых (по тех­но­логии «ласточкина хвоста») на стальной втулке.

Коллектор (в генераторном режиме) играет роль механического выпрямителя переменной ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря.

К коллектору с помощью пружин прижимаются неподвижные медно-графитовые щётки 8, соединённые с клеммами Я1 и Я2 щитка. Образовавшиеся скользящие контакты дают возможность соединить вращающу­юся обмотку якоря(ОЯ)с электрической цепью: снять выпрямленное напряжение с коллектора (генераторный режим) или соединить якорную обмотку с источником постоянного напряжения (двигательный режим)). Суммарное сопротивление цепи якоря Rя = 0,5…5 Ом.

Способы включения обмотки возбуждения. В зависимости от того, как обмотка возбуждения ОВ включена относительно сети и якоря, различают двигатели постоянного тока (ДПТ):

ДПТ независимого возбуждения, рис.3 а)

ДПТ с параллельного возбуждения рис.3 б),

ДПТ с последовательного возбуждения рис.3 в),

ДПТ с смешанного возбуждения рис.3 г).

На рис. 3 приведе­­ны электрические схемы возбуждения указанных типов ДПТ.

Рис.3. Способы включения обмотки возбуждения.

Основные параметры и характеристики двигателя.

Основными параметрами двигателя ПТ являются:

· n -частота вращения якоря, об/мин;

· — угловая частота вращения якоря, 2 60, рад/c

· М — средний электромагнитный момент (в Н×м), действующий на якорь ДПТ, по обмотке которого протекает ток Iя, где Fс — среднее значение силы в ньютонах (Н), действующей на якорь, d — диаметр якоря, м.

· Рмех = М – механическая мощность на валу,

· Р2 полезная мощность на валу, передаваемая рабочей мащине, Р2= Рмех – Рпот,, где Рпот,потери мощности, связанные с разогревом двигателя и трением в подшипниках.

· η коэффициент полезного действия, η = Р2/ Р1, где Р1-электрическая мощность, потребляемая от сети постоянного тока.

Основные характеристики двигателя:

Важнейшей характеристикой является механическая n(M), представляющая зависимость частоты вращения n ротора от развиваемого ДПТ мо­мен­та вращения М при условии постоянства напряжения и соп­ротив­лений в цепи якоря и в цепи воз­бу­ж­дения.

Зависимость М = f(Iя) называется моментной характеристикойдвигателя. При установившемся режиме работы двигателя электромагнитный момент вращения М связан с током якоря Iя .

Характеристика коэффициента по­лез­ного действия h = ¦(Iя) нара­стает очень быстро при росте нагрузки от нуля (режим холостого хода) до 0,5Iян и достигает наибольшего значения в пределах от 0,5 до 0,8 номинальной нагрузки, а затем медленно падает вследствие роста потерь.

Электромеханические свойства ДПТ определяются его скоростной харак­терис­тикой n(Iя), представляющей зависимость частоты вращения n от тока якоря Iя при U = const и Iв = const.

Все основные характеристики представлены рис.4, где по осям приведены нормированные значения параметров, получаемые делением на эталон. В качестве эталона принято нормативное значение параметра.

Рис.4. Механическая характеристика, рис.4 а), и рабочие характеристики, рис. 4 б), двигателя

2. Задание на расчет

Рассчитать электромеханические показатели рабочего режима двигателя:

А. Определить номинальный вращающий момент М= 𝖞 Рн /𝝎 (𝝎=2πn/60).

Б. Определить ток якоря Iя = Uн / Rя

В.Определить магнитный поток кФ= M / Iя , где к-конструктивный коэффициент

Г. Определить ток обмотки возбуждения I ов = Uовн / Rов

Д. Определить индуктивность обмотки возбуждения L ов= кФ/ I ов

Е. Определить проводимость механической нагрузки (коэффициент трения якоря) M/𝝎 (𝝎=2πn/60)

Расчет вести по вариантам, исходя из следующих данных в таблице 1:

Таблица 1.Двигатели постоянного ток серии 2 ПН, длина сердечника якоря h=90 мм

N Рн, кВт Uн, В n об/мин n max об/мин 𝖞 % Rя, Ом Rдоп Ом R ов, Ом Lя, мГн
0,17 47,5 5,84 4,40
48,5 27,2 16,2
0,25 3.99 2,55 78,7
15.47 11.2
0,37 61,5 2,52 1,4 7
0.4 61,5 10,61 6,66
0,71 69,5 0,54
3,99 2,55
71,5 0, 6 0,35
72,5 2,52 1.47

3. Пример расчета

Зададимся данными для расчета согласно таблице ниже

Рн, кВт Uн, В n об/мин n max об/мин 𝖞 % Rя, Ом Rдоп Ом R ов, Ом Lя, мГн
0,17

А. Определяем номинальный вращающий момент М= 𝖞 Рн /𝝎 (𝝎=2πn/60).

𝝎=2πn/60=78,5 рад/с М= 𝖞 Рн /𝝎 =0,5 170/78/5=1,08 Н м.

Б. Определим ток якоря Iя = Uн / Rя=120/10=12 A

В.Определим магнитный поток кФ= M / Iя = 1,08/ 12=0,09, где к — конструктивный коэффициент

Г. Определить ток обмотки возбуждения I ов = Uовн / Rов=120/160=0,75 А

Д. Определим индуктивность обмотки возбуждения. Произведение к L ов определим из условияк L ов= = =0,12

Примем к =0,03, тогда L ов= 0,12/ 0.03=4 Гн

Е. Определим проводимость механической нагрузки (в качестве неё примем коэффициент трения вала якоря): M/𝝎= 1,08/78,5=0,014 Н м /рад

Для проверки соберем в программе EWB схему испытания двигателя постоянного тока согласно рис. 5. Электронная модель двигателя представлена двумя центральными элементами схемы: первый элемент определяет обмотку возбуждения, второй – ротор двигателя. Их можно найти в поле компонентов программы, щелкнув по пиктограмме М.

Рис. 5. Схема испытания двигателя постоянного тока в программе EWB

Щелкнув двойным щелчком мышки по изображению двигателя и используя команду Edit, можнооткрыть его диалоговое окно, показанное на рис. 6.

Читайте также:  Какое влияние оказывает электрический ток

Рис. 6 Диалоговое окно двигателя постоянного тока в программе EWB

В этом окне используются поля:

Ra – Сопротивление ротора в Омах, Ω

La— Индуктивность ротора в Генри ,Гн

Rf — Сопротивление полевой обмотки в Омах, Ω

Lf — Индуктивность полевой обмотки в генри ,Гн

Bf — Трение вала в Н•м•с/рад, N m*s/rad

J — Инерция вращения машины в Н•м•с 2 /рад, N*m*s 2 /rad

nn— Номинальная скорость вращения , в оборотах в минуту, PRM

Van — Номинальная напряжение ротора в Вольтах,V

Ian— Номинальный ток ротора в Aмперах, А

Vfn — Номинальная напряжение на полевой обмотке в Вольтах,V

Следует установить в открывшемся окне Sheet 1 электромеханические показатели рабочего режима двигателя, рассчитанные ранее. Затем следует открыть последнее окно Sheet 2 и в установить значение вращающего момента вращающий момент М в N*m.

При запуске схемы в работу будем иметь показания приборов, показанные на рис.7.

Рис. 7. Экспериментальное испытание двигателя, собранного в соответствии с расчетом.

Показания вольтметра определяют на скорость вращения n, выраженную в об/мин.

Из рисунка видно, что показания приборов в основном подтверждают расчет. При желании, можно снять механическую и рабочие характеристики двигателя, работая с реостатами R и А схемы. Значения вращающего момента будут определяться по показаниям амперметров условием: М= 0,12 .

Для облегчения понимания механических параметров в Приложении 1 приведем электромеханические аналогии.

Приложение 1. Электромеханические аналогии

Электрический аналог Механический аналог
Ток, [I]=А. Вращающий момент, [M]= Н*м.
Напряжение, [U]=В. Угловая скорость вращения, [𝝎]=рад/c
Мощность, [U* I]=Вт. Мощность на валу, [М*𝝎]=Вт.
Проводимость, [G]= Cм. Коэффициент трения вала [В=М/ 𝝎]= Н* м*с/рад
Емкость, [С]= Ф. Инерция вращения ротора, [J] = Н*м*с 2 /рад

4. Контрольные вопросы

1. Укажите, как осуществить реверс(обратное вращение) ДПТ параллельного возбуждения?

А. Изменить полярность напряжения, подводимого к цепи якоря.

Б. Одновременно изменить полярность напряжения, подводимого к цепи якоря и к цепи возбуждения.

В. Изменить направление тока в обмотке возбуждения.

Г. Сместить положение щеток с геометрической нейтрали ДПТ.

2. Укажите, как изменяется вращающий моментДПТ с изменением питающего напряжения U?

А. Момент ДПТ не зависит от колебаний напряжения U сети.

Б. Момент ДПТ изменяется пропорционально изменению напряжения U.

В. Момент ДПТ изменяется пропорционально изменению напряжения U 2 .

Г. Момент ДПТ изменится пропорционально корню квадратному из U.

3. Укажите, как изменится частота вращения ротораДПТ двигателя приувеличении тока возбуждения?

А. Увеличится. Б. Не изменится. В. Уменьшится.

4. Укажите, с какой целью последовательно с цепью якоря ДПТ включают сериеснуюобмотку возбуждения?

А. Для уменьшения пускового тока двигателя.

Б. Для уменьшения искрения в скользящих контактах коллектор-щётки.

В. Для получения большей жесткости механической характеристики ДПТ.

Г. Для ослабления реакции якоря.

5. Укажите, при каком коэффициенте нагрузки b = P2/P2н КПД ДПТ будет максимальным?

А. При b = 0. Б. При b = 1. В. При b = 0,2 …0,3. Г. При b = 0,7…0,8.

Источник

Электроника для всех

Блог о электронике

Двигатель постоянного тока. Характеристики и регулирование

После предыдущего поста о мотор-редукторе мне пришло несколько вопросов по регулированию двигателя постоянного тока. Так что пора написать очередной пост 🙂

Двигатель постоянного тока (ДПТ) это один из самых привычных и понятных электродвигателей, он изучается даже в школе, на физике. Он используется практически везде, где нужен малогабаритный моторчик, а также не спешит сдавать своих позиций и там, где мощность измеряется десятками киловатт. О нем и поговорим.

Конструктив и базовый принцип
Не буду тут особо распинаться, покажу картинку из википедии и укажу ряд основных узлов. Все остальное вы и так знаете и трогали своими руками.

1. Статор состоит из источника магнитного поля. Далеко не всегда это постоянный магнит, более того, постоянный магнит это скорей исключение, чем правило. Обычно все же это обмотка возбуждения. По крайней мере на всем, что больше кулака по размерам.

Работает все очень и очень просто. Обмотка якоря отталкивается от магнитного поля статора силой Ампера и совершает пол оборота, стремясь вывести эту силу на ноль и таки вывела бы если бы не коллектор, который ловко всех обламывает переключает полярность катушки и сила вновь становится максимальной. И так по кругу. Т.е. коллектор служит механическим инвертором напряжения в якоре. Запомните этот момент, он нам еще пригодится 🙂

Обычно в мелких моторчиках всего два полюса обмотки возбуждения (одна пара) и трехзубцовый якорь. Три зуба это минимум для запуска из любого положения, но чем больше зубцов тем более эффективно используется обмотка, меньше токи и более плавный момент, т.к сила является проекцией на угол, а активный участок обмотки проворачивается на меньший угол

Происходящие в двигателе процессы
Думаю многие из вас кто баловался с движками могли заметить, что у них есть ярко выраженный пусковой ток, когда мотор на старте может рвануть стрелку амперметра, например, до ампера, а после разгона ток падает до каких-нибудь 200мА.

Почему это происходит? Это работает противоэдс. Когда двигатель стоит, то ток который через него может пройти зависит только лишь от двух параметров — напряжения питания и сопротивления якорной обмотки. Так что предельный ток который может развить движок и на который следует рассчитывать схему узнать несложно. Достаточно замерить сопротивление обмотки двигателя и поделить на это значение напряжение питания. Просто по закону Ома. Это и будет максимальный ток, пусковой.

Но по мере разгона начинается забавная вещь, обмотка якоря движется поперек магнитного поля статора и в ней наводится ЭДС, как в генераторе, но направлена она встречно той, что вращает двигатель. И в результате, ток через якорь резко снижается, тем больше, чем выше скорость.

А если движок дополнительно еще подкручивать по ходу, то противоэдс будет выше питания и движок начнет вкачивать энергию в систему, став генератором.

Немного формул
Не буду грузить никого выводами, их найдете сами если захотите. Чтобы было поменьше матана рекомендую найти учебник по электроприводу для средних учебных заведений и годом выпуска подревней. От 50х-60х годов самое то 🙂 Там и картинки винтажные и расписано для вчерашнего выпускника сельской семилетки. Много букв и никакого грузилова, все четко и по делу.

Самая главная формула коллекторного двигателя постоянного тока:

  • U — напряжение подаваемое на якорь
  • Rя — сопротивление якорной цепи. Обычно за этот символ считают только сопротивление обмотки, хотя можно снаружи навесить резистор какой и он к ней приплюсуется. Тогда пишут как (Rя+Rд)
  • Iя — ток в якорной цепи. Тот самый который замеряется амперметром при попытке измерять потребление движка 🙂
  • Е — это противоэдс или ЭДС генератора, в генераторном режиме. Она зависит от конструкции двигателя, оборотов и описывается вот такой вот простой формулой
  • Ce — одна из конструктивных констант. Они зависят от конструкции двигателя, числа полюсов, количества витков, толщин зазоров между якорем и статором. Нам она не особо нужна, при желании ее можно вычислить экспериментально. Главное, что она константа и на форму кривых не влияет 🙂
  • Ф — поток возбуждения. Т.е. сила магнитного поля статора. В мелких моторчиках, где оно задается постоянным магнитом это тоже константа. Но бывает под возбуждение выведена отдельная обмотка и тогда мы можем ее менять.
  • n — обороты якоря.

Ну и зависимость момента от тока и потока:

См — конструктивная констатнта.

Вот тут стоит обратить внимание, что зависимость момента от тока совершенно прямая. Т.е. просто замеряя ток, при неизменном потоке возбуждения, мы можем совершенно точно узнать величину момента. Это может быть важно, например, чтобы не сломать привод, когда двигло может развить такое усилие, что легко поломает то, что оно там вращает. Особенно с редуктором.

Ну и из этого же следует, что момент у машины постоянного тока зависит только от способности источника снабжать его током. Так что идеальный нерушимый сверхпроводящий движок вам на раз лом в узел завяжет, пусть даже он сам с ноготок будет. Только энергию подавай.

А теперь смешаем все это в кучу и получим зависимость оборотов от момента — механическую характеристику двигателя.

Если ее построить, то будет нечто следующее:

n — это обороты идеального холостого хода сферического двигателя в вакууме. Т.е. когда наш движок ну ваще халявит, момент равен нулю. Ток потребления тоже, естественно, ноль. Т.к. противоэдс равна напряжению. Чисто теоретический вариант. А вторая точка строится уже с каким-либо моментом на валу. Получается прямая зависимость оборотов от момента. А наклон характеристики определяется сопротивлением якорной цепи. Если никаких добавочных резисторов там нет, то это зовут естественной характеристикой.

Обороты идеального холостого хода зависят от напряжения и потока. Больше ни от чего. А если поток константа (постоянный магнит), то только от напряжения. Снижая напряжение вся наша характеристика параллельно смещается вниз. Уменьшили напряжение в два раза — скорость упала в два раза.

Если есть возможность менять поток возбуждения, то можно поднимать скорость выше номинальной. Тут зависимость обратная. Ослабляем поток — двигатель разгоняется, но либо падает момент, либо ему надо жрать больше тока.

Иной двигатель со снятием возбуждения может и в разнос пойти. Помнится сдавал я затянувшийся курсач по электроприводу, уже хрен знает спустя сколько времени после сессии. Вломы мне его делать было, ага 🙂 Ну и сидел в лаборатории, ждал препода. А там какие то балбесы, на курс ниже, лабу делали. Крутили движок вхолостую, а возбуждение к стенду приверчено было на соплях и слетело с клеммы. Движок в разнос пошел. У нас в лаборатории ЭПА ЮУРГУ все серьезно было, машины стояли нешуточные, по десятку киловатт и под сотню другую кг каждый. Все на суровом напряжении в 380 вольт.
В общем, когда эта дура взревела как монстр и стала рваться с креплений, я только и успел крикнуть, что все нахер от машины, вырубай к черту. Не успели, двигло сорвало с креплений, обмотка повылетала с пазов и движку пришел кирдык. Ладно никого не покалечило.
Впрочем, лабы привода это то еще развлечение было. У нас там и горело и взрывалось. Там я приобрел замечательные навыки чинить что угодно, чем угодно в сжатые сроки. В среднем, каждый успел по разу убить стенд наглухо, а лаба часто начиналась с починки паяльника, которым чинили осциллограф с помощью которого реанимировали убитый стенд.

Добавляя резисторы в якорную цепь мы можем увеличить наклон, т.е. чем больше грузим тем больше падает скорость.

Метод плох тем, что резисторы в цепи якоря должны быть расчитаны на ток двигателя, т.е. быть мощными и будут греться зря. Ну и момент резко падает, что плохо.

Есть еще двигатели не независимого, а последовательного возбуждения. Это когда обмотка статора включена последовательно якорю. Не каждый двигатель так можно включить, обмотка возбуждения должна выдерживать ток якоря. Но у них возникает одно интересное свойство. При пуске возникает большой пусковой ток и этот пусковой ток является же током возбуждения, обеспечивая огромный пусковой момент. Механическая характеристика напоминает гиперболу с максимумом в районе нулевых оборотов.

А дальше, по мере разгона, момент падает, а обороты наоборот растут. И если нагрузку убрать с вала, то движок сразу же уходит в разнос. Такие движки ставят на тягловый привод в основном. По крайней мере ставили раньше, до развития силовой электроники. С места эта хрень рвет так, что все стритсракеры нервно закуривают.

Режимы работы двигателя постоянного тока
Направление вращения движка зависит от направления тока якоря или направления потока возбуждения. Так что если взять коллекторный двигатель и подключить обмотку возбуждения параллельно якорю, то он будет прекрасно вращаться и на переменном токе (универсальные двигатели, их в кухонную технику часто ставят). Т.к. ток будет одновременно меняться и в якоре и в возбуждении. Момент правда будет пульсирующим, но это мелочи. А для реверса там надо будет поменять полярность включения якоря или возбуждения.

Читайте также:  Повышающий преобразователь постоянного тока 20a 1200 вт

Если нарисовать механическую характеристику в четырех квадрантах, то у нас будет нечто похожее на это:

Вот, например, характеристика 1 на I участке у нас машина работает как двигатель. Нагрузка растет и в определенный момент двигатель останавливается и начинает вращаться в обратную сторону, т.е. нагрузка обращает его вспять. Это тормозной режим, противовключение. Режим очень тяжелый, двигло греется просто зверски, но для торможения очень эффективный. Если же момент на валу сменит направление и пойдет вращать навстречу движку, то мотор сразу же выйдет на генерацию (IV участок).

Характеристика 2 это то же самое, только с обратной полярностью питающего напряжения двигателя.

А характеристика 3 это динамическое торможение. Оно же реостатное. Т.е. когда мы берем и просто коротим наш двигатель на резистор или сам на себя. Можете сами проверить, возьмите любой моторчик и покрутите его, а потом закоротите ему якорь и покрутите снова. На валу будет ощутимое усилие, тем больше, чем качественнее движок.

Кстати, драйвера двигателей вроде L293 или L297 имеют возможность включить реостатное торможение, подачей обоих ключей вверх или вниз. При этом якорь коротится через драйвер на шину земли или питания.

Бесколлекторные двигатели постоянного тока
Коллекторный движок он очень хорош. Он чертовски легко и гибко регулируется. Можно повышать обороты, понижать, механическая характеристика жесткая, момент он держит на ура. Зависимость прямая. Ну сказка, а не мотор. Если бы не одна ложка говна во всей этой вкусняшке — коллектор.

Это сложный, дорогой и очень ненадежный узел. Он искрит, создает помехи, забивается проводящей пылью от щеток. А при большой нагрузке может полыхнуть, образовав круговой огонь и тогда все, капец движку. Закоротит все дугой наглухо.

Но что такое коллектор вообще? Нафига он нужен? Выше я говорил, что коллектор это механический инвертор. Его задача переключать напряжение якоря туда сюда, подставляя обмотку под поток.

А на дворе то уже 21 век и дешевые и мощные полупроводники сейчас на каждом шагу. Так зачем нам нужен механический инвертор если мы можем сделать его электронным? Правильно, незачем! Так что берем и заменяем коллектор силовыми ключами, а еще добавляем датчики положения ротора, чтобы знать в какой момент переключать обмотки.

А для пущего удобства выворачиваем двигатель наизнанку — гораздо проще вращать магнит или простенькую обмотку возбуждения, чем якорь со всей этой тряхомудией на борту. В качестве ротора тут выступает либо мощный постоянный магнит, либо обмотка питаемая с контактных колец. Что хоть и смахивает на коллектор, но не в пример надежней его.

И получаем что? Правильно! Бесщеточный двигатель постоянного тока aka BLDC. Все те же няшные и удобные характеристики ДПТ, но без этого мерзкого коллектора. И не надо путать BLDC с синхронными двигателями. Это совсем разные машины и разным принципом действия и управления, хотя конструктивно они ОЧЕНЬ схожи и тот же синхронник вполне может работать как BLDC, добавить ему только датчиков да систему управления. Но это уже совсем другая история.

106 thoughts on “Двигатель постоянного тока. Характеристики и регулирование”

Я очень ждал статей про двигатели. Специалист по электроприводу научил нас как работать с AVR, а про моторчики нифига не написал. Еще будут статьи на эту тему?

Мне порвала шаблон обратная зависимость между магнитным потоком возбуждения и скоростью вращения. По формуле я вижу, что это так, но понять не могу. Особенно удивил уход вразнос при отключении обмотки возбуждения. Если нет магнитного потока статора, то от чего «отталкивается» ротор? Как двигатель может вообще работать в таком режиме?

Отталкивается от остаточного возбуждения. Намагниченности полюсов. Но ты обрати внимание, что момент там тоже уходит в ноль. Так что либо отталкиваться бешеным током, либо снижать момент до нуля.

Да, про момент я заметил. Понятно, что разгон будет происходить только без нагрузки и только, если источник питания способен выдать нужный ток.

Статьи может быть будут еще, не скажу. Я, на самом деле, за 7 лет изрядно эту тему подзабыл за неиспользованием. Особенно касаемо всякого продвинутого регулирования и динамики привода. Так что не такой я уж специалист по приводу 🙂

Можно и без продвинутого регулирования для начала. Меня совсем базовые вещи интересуют. Типа, какие бывают способы управления и, соответственно, какие драйверы их реализуют, чем отличаются, плюсы, минусы, подводные камни. Для коллекторных и бесколлекторных двигателей постоянного тока. На что следует обратить внимание при разработке схем с электродвигателями, чтобы не сжечь все нафиг. В общем, такая статья в раздел «Начинающим». Но и более емкие статьи я бы с удовольствием прочитал.

Ну базовые вещи я уже описал 🙂 А дальше додумываешь сам. Напряжение можно рулить ШИМом. Можно обратную связь по току-моменту замутить. Обращаться с ними также как с любой индуктивностью, о чем я тоже уже писал. Не расписывал только H-мосты самодельные. Но тут тема такая, на всех не угодишь, слишком они разные бывают.

Он используется практически везде, где нужен малогабаритный моторчик

То-то все авиамодели, квадкоптеры и прочая летучая нечисть — на бесколлекторниках, кроме совсем позорного Китая за $100.

Я БУДУ ЧИТАТЬ ДО КОНЦА, ПРЕЖДЕ ЧЕМ КОММЕНТИРОВАТЬ. Я БУДУ ЧИТАТЬ ДО КОНЦА, ПРЕЖДЕ ЧЕМ КОММЕНТИРОВАТЬ. Я БУДУ ЧИТАТЬ ДО КОНЦА, ПРЕЖДЕ ЧЕМ КОММЕНТИРОВАТЬ. Я БУДУ ЧИТАТЬ ДО КОНЦА, ПРЕЖДЕ ЧЕМ КОММЕНТИРОВАТЬ. Я БУДУ ЧИТАТЬ ДО КОНЦА, ПРЕЖДЕ ЧЕМ КОММЕНТИРОВАТЬ.

Модели — не игрушки. Совсем другие требования, и другие цены.
А в дешевых игрушках, — как правило, дешевые коллекторные движки с проволочными щетками. Да и в самых дешевых моделях вертолета с соосными винтами (по сути, те же игрушки) — тоже коллекторные.

Имеется двигатель постоянного тока мощностью 60Вт, напряжение питания 48В. Как его можно переделать чтобы питать от 12В не потеряв в мощности?

Источник

Для двигателя постоянного тока вычислить

4-1. ЗАЧЕМ НУЖНЫ РАСЧЕТЫ?

При современном развитии техники каждую машину строят по предварительному расчету. При расчете определяют размеры машины, чтобы она надежно работала при минимальной затрате материалов на ее изготовление. Люди начали строить различные сооружения гораздо раньше, чем научились их рассчитывать. До наших дней сохранились сооружения, построенные несколько тысяч лет тому назад, а наука о расчете на прочность зародилась немногим больше 300 лет. Строители этих сооружений определяли их размеры, как говорят, «на глаз», отчасти руководствуясь опытом уже построенных сооружений, и опыт этот обходился человечеству очень дорого.

В истории строительной техники известны случаи огромных катастроф, происходивших от неумения рассчитывать. Так, почти 2 тыс. лет назад в Фиденах, близ Рима, во время выступлений гладиаторов обрушился амфитеатр, под развалинами которого погибло 50 тыс. человек. В 1879 г. во время шторма обрушились 13 пролетов моста через реку Тей в Шотландии вместе с пассажирским поездом, потому что при постройке моста не было учтено давление ветра. Известен еще ряд случаев разрушения мостов. Но рушились не только мосты, — падали фабричные трубы, взрывались паровые котлы, разлетались в куски вращающиеся маховики под действием центробежных сил.

Современные сооружения, построенные на основании расчетов, обладают необходимой прочностью, а материалов на них израсходовано в десятки раз меньше, чем на сооружения в древности. Развитие строительной техники позволило заменить стальные мосты и опоры линий электропередачи бетонными, выполнять блоки домов не на строительной площадке, а на заводах железобетонных изделий.

Расчет электрических машин не ограничивается проверкой их механической прочности; электрическая машина должна развивать требуемую мощность, части машины при работе не должны нагреваться выше допустимой температуры, изоляция ее обмоток должна выдерживать расчетный срок службы и не разрушаться под действием приложенного напряжения, характеристики машины должны удовлетворять техническим требованиям. Поэтому расчет электрической машины состоит из нескольких частей. При электромагнитном расчете определяют ее основные размеры и обмоточные данные; при вентиляционном расчете выбирают систему вентиляции, рассчитывают размеры вентилятора и количество воздуха, необходимого для охлаждения машины при работе; тепловой расчет позволяет узнать, до какой температуры нагреваются активные части машины; по расчету различных режимов работы строят характеристики машины; расчет изоляции обмоток требуется для выбора соответствующих изоляционных материалов, числа слоев изоляции и необходимых промежутков между частями машины, находящимися под напряжением; механические расчеты необходимы для определения размеров и марки стали вала, числа витков и сечения проволочных бандажей, выбора типа и размеров подшипников, прочности коллектора и других частей машины. Применение новых материалов и усовершенствование методов расчета позволили снизить до 60 кг массу электродвигателя мощностью 10 кВт вместо 200 кг, которые весил электродвигатель такой же мощности в 1913 г.

Здесь изложены методы и примеры упрощенных расчетов электродвигателей мощностью в десятки ватт. Может вызвать недоумение необходимость расчета таких маленьких машин. Ведь многие тысячи таких электродвигателей построены нашими моделистами без всяких расчетов и работают. Конечно, построить электродвигатель для настольной модели электровоза без расчетов риск небольшой; если сгорит изоляция обмотки, можно намотать новую, если модель не стронется с места, то ее можно и рукой подтолкнуть; лишний килограмм материалов для одиночной модели особого значения не имеет.

В народном хозяйстве работают десятки миллионов микроэлектродвигателей. Для определения расхода материалов на их изготовление надо принять в расчет закон электромашиностроения, из которого следует: чем меньше мощность электрической машины, тем больше расходуется материалов на единицу мощности. Это можно проследить на следующем примере. Турбогенератор мощностью 100000 кВт имеет массу около 200 т, или 200000 кг. Следовательно, на 1 кВт мощности расходуется 2 кг. Микроэлектродвигатель мощностью 30 Вт имеет массу 3,2 кг. Чтобы получить мощность 1 кВт, надо взять 33 таких электродвигателя, на которые пойдет 100 кг материалов. Таким образом, микроэлектродвигатели на 1 кВт требуют в 50 раз больше материалов, чем мощные генераторы. Представьте себе, сколько можно сэкономить материалов, если снизить массу электродвигателей хотя бы на 1%. В социалистических обязательствах наших заводов одним из важных показателей является изготовление дополнительной продукции из сэкономленных материалов на сэкономленной электроэнергии.

Читайте также:  Слабый ток в сварочном инверторе

Для снижения расхода материалов надо тщательно изучать опыт работы построенных микроэлектродвигателей, совершенствовать методы их проектирования, разрабатывать новые типы электродвигателей и новые материалы для их изготовления.

4-2. О РАСЧЕТЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Электромагнитный расчет электродвигателя состоит из нескольких этапов. Сначала определяют главные размеры электродвигателя, т. е. диаметр и длину ротора. Затем производят расчет зубцового слоя, т. е. размеров пазов и зубцов. Далее определяют обмоточные данные, т. е. число витков и диаметр провода обмоток, и вычисляют магнитные потоки и индукции в основных частях статора и ротора. В коллекторных машинах ведется расчет размеров коллектора, количества и размеров щеток.

Затем определяют потери мощности внутри электродвигателя и к. п. д. Ведут специальные расчеты для построения характеристик. Расчеты на прочность в электродвигателях малой мощности заключаются в проверке прочности вала, подшипников и коллектора.

Если провести полный электромагнитный, вентиляционный, тепловой и механический расчеты, то заполнится целая общая тетрадь. И хотя расчеты проводятся только на основе алгебры и тригонометрии и поэтому доступны каждому десятикласснику, начинающему электрику можно обойтись упрощенными расчетами. К упрощенным расчетам относятся: определение главных размеров магнитного сердечника и нахождение обмоточных данных, т. е. диаметров проводов и числа витков. Эти расчеты займут не более пяти страниц в тетради.

Остальных расчетов можно избежать, руководствуясь советами, которые будут даны ниже. Например, если в электродвигателе плотности тока и индукции в магнитных сердечниках не будут выходить за пределы рекомендованных, то можно надеяться, что электродвигатель не подвергнется при работе чрезмерному нагреву. Тепловые расчеты в этих случаях не делают.

Расчет электродвигателя представляет собой пример технического расчета, который несколько отличается от решения математических задач. Основная особенность технических расчетов заключается в том, что они не обязательно должны быть абсолютно точными, а допускают некоторые приближения. Результаты при вычислении формул совсем не обязательно должны быть целыми числами.

С другой стороны, не следует стремиться к вычислению большого числа знаков после запятой. Вполне достаточно определить десятые и сотые доли. При округлении результата и отбрасывании лишнего десятичного знака остающийся знак должен быть увеличен на 1, если отбрасываемый знак больше пяти. Например, 42,129 округляем до 42,13; 34,262 округляем до 34,26. При оперировании большими числами не только не следует вычислять дробную часть, но и в целой части можно последние цифры заменить нулями.

При вычислений числа витков нет необходимости вести расчет до дробных частей, например 132,24, так как число витков может быть только целым числом.

Упрощения и приближения в технических расчетах делаются не только для ускорения расчета. Большая точность в них просто не нужна. Допустим, что вы вычислили потребляемый электродвигателем ток с точностью до тысячных долей ампера, а щитовой амперметр может измерить этот ток с точностью до пол-ампера; точные расчеты окажутся излишними. Но этого мало. Если по расчету будут изготовлены десять электродвигателей, то сопротивления обмоток будут различными, хотя все они изготовлены из одних и тех же материалов по одинаковым размерам. Это происходит потому, что все детали и материалы имеют некоторые отступления от теоретических (номинальных) размеров. Например, если на катушке с проводом написан его диаметр 1,56 мм, то фактически размер может отличаться на 2% в ту и другую сторону, т. е. меняться от 1,54 до 1,59 мм. Вот почему все десять электродвигателей не будут совершенно одинаковыми.

Из этого не следует делать неправильный вывод, что технические расчеты вообще не нужны. Расхождения между расчетом и опытом могут быть в пределах 10—15%, а «на глаз», да еще без достаточного практического опыта, можно ошибиться и в несколько раз.

При выполнении технических расчетов надо внимательно следить за размерностью подставляемых в формулы величин, которые будут везде указаны, потому что, подставив в формулу какой-нибудь размер вместо сантиметров в миллиметрах, вы ошибетесь в 10 раз, если же это сечение, то ошибка возрастет в квадрате, т. е. в 100 раз.

Все расчеты можно производить, пользуясь только арифметическими правилами. При этом в формулах с числителем и знаменателем надо как можно шире пользоваться сокращениями для упрощения расчета.

При технических расчетах лучше всего применять широко распространенные логарифмические линейки. Линейка позволяет из данной формулы получить готовый результат даже без знания результатов промежуточных вычислений. Линейка во много раз ускоряет процесс расчета. Линейка приучит и к технически целесообразным округлениям результатов. На ней можно получить только три или четыре значащих цифры ответа, а больше и не нужно. Научитесь только правильно определять число цифр целой части числа.

4-3. ОБМОТОЧНЫЕ ПРОВОДА

Для расчета любого электродвигателя нужны некоторые технические данные: диаметры обмоточных проводов, марки проводов и их изоляция, данные для расчета магнитной цепи электродвигателя, размеры щеток, шарикоподшипников и др.

При расчете электродвигателя по формулам, которые будут приведены далее, вычисляется сечение провода для обмотки. Пользуясь формулой πr 2 , нетрудно было бы определить необходимый диаметр провода. Но диаметр провода нельзя выбирать любым, так как обмоточные провода изготовляются только по стандарту, на основании которого составлена табл. 4-1.

Если по расчету получилось сечение провода 1,5 мм 2 , то надо по табл. 4-1 подобрать сечение, которое ближе всего подходит к 1,5 мм 2 . Таким сечением будет s=1,481 мм 2 . Этому сечению соответствует диаметр стандартного провода d=1,35 мм.

Если бы не было стандарта на обмоточные провода, то в промежутке между диаметрами 1,35 и 1,45 мм (табл. 4-1) могли бы появиться провода диаметром 1,36, 1,37 мм и т. д. Чем больше размеров проводов, тем труднее заводу их изготовлять. Гораздо быстрее можно изготовить 100 кг провода одного размера, чем 10 размеров проводов по 10 кг каждого, потому что при изменении диаметра провода надо снова налаживать волочильный стан, на что уходит много времени. Заводы изготовляют провода с размерами по стандартам, выполнение которых обязательно для всех заводов и учреждений страны.

В табл. 4-1 указаны размеры голых проводов, а для обмоток электродвигателей, за исключением стержней короткозамкнутых обмоток роторов, применяются изолированные провода. Существует несколько марок обмоточных проводов, отличающихся изоляцией. Изоляция провода ПЭЛ расшифровывается так: провод, эмалированный лакостойкой эмалью. Провод марки ПЭВ-2 изолирован прочной эмалью, которая носит название «винифлекс». Цифра 2 показывает, что провод покрыт эмалью 2 раза.

Если поверх эмалевой пленки провод обмотан слоем шелковой пряжи, то марка провода будет ПЭЛШО, а при обмотке хлопчатобумажной пряжей — ПЭЛБО.

В табл. 4-2 дана двусторонняя толщина изоляции проводов тех марок, которые применяются для электродвигателей малой мощности. Для определения диаметра изолированного провода надо к диаметру голого провода, взятому по табл. 4-1, прибавлять толщину изоляции по табл. 4-2.

Диаметр голого провода равен 0,44 мм, марка провода ПЭЛ. Размер 0,44 мм в табл. 4-2 заключается между размерами 0,41 и 0,49. В столбике под этими цифрами находим изоляцию провода ПЭЛ, равную 0,045 мм. Диаметр изолированного провода равен 0,44+0,045 = 0,485 мм.

4-4. ТАБЛИЦА НАМАГНИЧИВАНИЯ

При расчете каждого электродвигателя приходится определять данные намагничивающей обмотки, которая создает магнитное поле. Способность катушки создавать магнитное поле называется ее намагничивающей силой (н.с.) или магнитодвижущей силой (м.д.с.). Намагничивающая сила катушки пропорциональна произведению числа витков на ток катушки.

Если силовые линии магнитного поля проходят через воздух, то н. с. катушки пропорциональна индукции и длине магнитных силовых линий. Например, чем больше воздушный зазор между статором и ротором, тем больше должна быть н. с. катушки. Но когда силовые линии магнитного поля проходят через стальной сердечник электромагнита, то прямая пропорциональность нарушается. Здесь н. с. катушки сильно изменяется в зависимости от магнитной индукции.

Эту зависимость определяют по графикам или по таблицам.

В табл. 4-3 по горизонтальной и вертикальной осям отложены магнитные индукции, а в клетках — намагничивающие силы в амперах на метр (А/м). Если в стальном сердечнике, например, магнитная индукция 1,05 Т, то надо взять пересечение горизонтальной строки против 1 Т с вертикальным столбиком против 0,05 Т. На пересечении найдем число 630 А/м. Это напряженность поля Н. Чем выше магнитная индукция, тем большая н. с. должна быть создана катушкой, чтобы провести силовые линии через сердечник. Намагничивающую силу катушки можно определить, умножив напряженность поля Н на длину силовых линий.

Пример. На стальное кольцо 1 (рис. 4-1) намотана катушка 2 из 1000 витков изолированной медной проволоки. Индукция в кольце должна быть 1,05 Т. Какой ток надо пропускать через катушку, чтобы создать в кольце такую индукцию?

Напряженность поля Н при этой индукции известна из табл. 4-3. Теперь надо узнать длину средней силовой линии. Это будет длина окружности с диаметром 100 мм, как указано на рис. 4-1:

Намагничивающая сила катушки

Через катушку надо пропускать ток

Теперь посмотрим, какой ток надо пропускать через катушку, чтобы индукция возросла в 1,5 раза, т. е. была 1,58 Т.

Для этой индукции в табл. 4-3 находим напряженность поля 3 650 А/м, н. с. катушки должна быть:

Таким образом, н. с. катушки возросла в 6 раз, хотя индукция в сердечнике увеличилась только в 1,5 раза. Исходя из этого, слишком большие индукции в стальных сердечниках иметь невыгодно: ведь при увеличении тока должно увеличиваться и сечение провода катушки, а следовательно, и масса меди,

При расчете каждого электродвигателя придется пользоваться табл, 4-3. Если в отдельных участках сердечника будут разные индукции, то каждый участок рассчитывают отдельно и н. с. участков складывают.

4-5. НОМИНАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Чтобы приступить к расчету электродвигателя, необходимо знать его номинальные данные. Номинальными данными называются мощность, частота вращения, напряжение, которые у электродвигателей заводского изготовления указаны на металлическом щиточке, прикрепленном к корпусу электродвигателя, или выгравированы на корпусе.

Мощность микроэлектродвигателя выражается в ваттах. Это не потребляемая от источника тока мощность, а механическая мощность на валу. Выбор мощности зависит от назначения электродвигателя. Чем выше частота вращения электродвигателей, тем меньше их размеры и тем меньше потребуется материалов для изготовления при одинаковой мощности.

Напряжение электродвигателя определяется источником питания. Если электродвигатель постоянного тока будет работать от батарейки карманного фонаря, то он должен быть рассчитан на напряжение 3,5 В. Электродвигатели переменного тока для движущихся моделей, питаемые от трансформатора, обычно рассчитывают на 12 В. Электродвигатели для настольного вентилятора и для электропроигрывателя могут питаться энергией от осветительной сети. Осветительные сети переменного тока могут иметь напряжение 127 или 220 В. Если напряжение в квартире вам неизвестно, посмотрите на стеклянную колбу электрической лампочки, на которой обозначены напряжение в вольтах и мощность лампы в ваттах.

Здесь приведены методика расчета, справочные данные и примеры расчетов электродвигателей мощностью до 50 Вт.

Н.В. Виноградов, Ю.Н. Виноградов
Как самому рассчитать и сделать электродвигатель
Москва 1974
Содержание

Источник