Принцип действия и устройство электродвигателя постоянного тока

Управление двигателем постоянного тока с использованием Н-моста

Если рассмотреть принцип действия, то Н-мост представляет собой логическую схему из четырех логических элементов (релейного или полупроводникового типа), способных переходить в два состояния (открытое и закрытое). В данном примере рассматривается мост собранный на полупроводниках. Простым изменением попарного состояния этих элементов двигатель будет вращаться то в одну, то в другую сторону без необходимости переключения его контактов.

Свое название данное устройство получило за счет внешнего сходства с буквой «Н», где каждая пара транзисторов находится в вертикальных элементах буквы, а непосредственно сам управляемый мотор в горизонтальном. Пример элементарного Н-моста из четырех транзисторов приведен на рисунке ниже. Попарно  открывая и закрывая нужные элементы схемы, вы сможете пропускать  ток через обмотки в противоположных направлениях.

Схема H-моста

Посмотрите на рисунок, в этой схеме управление питанием двигателя происходит от выводов А и В, на которые подается управляющий потенциал.

Принцип определения направления вращения в Н-мосте происходит следующим образом:

• при подаче на базы транзисторов Q1 и Q4 импульса для открытия перехода происходит протекание тока по обмоткам двигателя в одном направлении;
• при подаче на базы транзисторов Q2 и Q3 импульса для открытия перехода ток будет протекать в противоположном направлении, в сравнении с предыдущим и произойдет реверсивное движение;
• попарное открытие транзисторов Q1 и Q3, Q2 и Q4 приводит к торможению ротора;
• открытие транзисторов в последовательности Q1 и Q2 или Q3 и Q4 совершенно недопустимо, поскольку оно приведет к возникновению короткого замыкания в цепи.

Применяя схему Н-моста для управления работой двигателя постоянного тока, вы сможете реализовать полный набор операций для электрической машины без необходимости переподключения ее выводов. В виду сложности подбора транзисторов и подключения их в схему Н-моста, гораздо проще использовать уже существующие драйвера, имеющие такую функцию. Среди них наиболее популярными являются драйверы  L293D и L298N.

Сравнивая оба драйвера, следует отметить, что L298N превосходит L293D как по параметрам работы, так и по доступным опциям. Несмотря на то, что L293D более дешевая модель, L298N, ввиду значительных преимуществ, стал использоваться куда чаще. Поэтому в данном примере мы рассмотрим принцип управления двигателем при помощи драйвера L298N и платы Arduino.

Принцип действия двигателя постоянного тока

Классификация оборудования основана на видовых особенностях магнитной статорной системы, поэтому может иметь в конструкции:

• магниты постоянного типа;
• электромагнитную систему;
• независимого типа обмоточное подключение с независимым вариантом возбуждения;
• последовательного типа обмоточное подключение с последовательным вариантом возбуждения;
• параллельного типа обмоточное подключение с параллельным вариантом возбуждения;
• смешанный вид обмоточного подключения со смешанным вариантом возбуждения и преобладанием обмотки последовательного или параллельного типа.

Принцип действия электродвигателя

Тип обмоточного подключения оказывает значительное влияние на характеристики тяги и базовые электрические свойства электродвигателя.

Конструкция с независимым или параллельным возбуждением

Обмоточный элемент на якорной части и возбуждении при независимом или параллельном типе, запитаны от различных источников, а функция обмотки возлагается, как правило, на постоянный магнит. Отличительная особенность такого движка представлена отсутствием полной зависимости токового возбуждения от якорного тока на оборудовании.

Скоростные параметры двигателя регулируются в таком случае посредством:

• изменения показателей напряжения на якорной части;
• изменения показателей сопротивления в якорной цепи;
• изменения потокового возбуждения.

Принципиальные схемы включения двигателей постоянного тока независимого и параллельного возбуждения

Последний вариант регулировки нуждается в использовании сложного оборудования, но активно применяется в электрических приводах современного типа, что обусловлено плавностью и экономичностью балансирования уровня скорости в широком диапазоне, в условиях высоких параметров жесткости, свойств механического типа.

Популярная разновидность обмоточного возбуждения независимого типа базируется на применении постоянных магнитов.

Конструкция с последовательным возбуждением

Для потока возбуждения данного типа применяется якорный ток машины, а обмоточное возбуждение и якорная часть двигателя имеют последовательное подключение относительно питающего источника. Благодаря развитию значительного электромагнитного момента, который пропорционален квадратным показателям якорного тока, двигателям с параллельным типом возбуждения обеспечиваются оптимальные пусковые характеристики.

Двигатель последовательного возбуждения

Таким образом, конструкция отличается большим пусковым моментом на фоне сравнительно малого якорного тока. Конструкционные особенности позволяют двигателям ПТ с параллельным типом возбуждения активно эксплуатироваться в приводных механизмах грузоподъемного и тягового вида.

Важно учитывать, что работа электрического двигателя ПТ последовательного типа возбуждения «вхолостую» или в условиях минимальной нагрузки становится основной и очень частой причиной быстрого износа конструкции.

Регулировка вращательной скорости двигателя ПТ с параллельным возбуждением может выполняться изменениями показателей напряжения и сопротивления якорной цепи, а также в потоковом возбуждении.

Конструкция со смешанным возбуждением

Для электрического движка ПТ, обладающего смешанным типом возбуждения, или компаундного электродвигателя, присущи основные характеристики параллельного и последовательного возбуждения, что обусловлено наличием пары видов обмоток.

Обмоточные элементы подключаются двояко:

• согласное подключение — в процессе включения в электрическую цепь, все сформированные амперные витки и магнитные потоки складываются;
• встречное подключение — включение обмоток возбуждения сопровождается направлением амперных витков и магнитных потоков друг к другу.

Варианты двигателей

Второй способ обмоточного включения в двигателях ПТ со смешанным типом возбуждения используется в спецмашинах.

Наличие в движке двойной обмотки возбуждения расширяет возможности конструирования и изготовления электрических двигателей, значительно отличающихся по своим свойствам и основным техническим характеристикам.

Принцип действия

Особенности функционирования МПТ зависит от того, в каком режиме она работает — генератора или двигателя. Далее подробно рассматриваются оба варианта.

Генератор

Принцип работы генератора постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции. Состоит оно в том, что при изменении магнитного потока, пересекающего проводник, в последнем наводится ЭДС.

Принцип действия генератора постоянного тока

Чтобы добиться изменения магнитного потока, меняют параметры поля либо двигают в постоянном поле проводник. По второму варианту и работает генератор постоянного тока: обмотка якоря приводится во вращение внешней механической силой.

Очевидно, что после поворота витков обмотки на 180 градусов ЭДС окажется направленной противоположно. Сохранить ток в подключенной к генератору цепи постоянным, то есть однонаправленным, помогает коллектор: в нужный момент он переподключает концы обмотки якоря к противоположным контактам цепи (щеткам). То есть в этой машине коллектор играет роль механического выпрямителя.

При наличии всего двух основных полюсов ток получится пульсирующим. Увеличение числа полюсов приводит к сглаживанию пульсаций.

Двигатель

Работа МПТ в режиме двигателя обусловлена возникновением так называемой амперовой силы. Она действует на помещенный в магнитное поле проводник при протекании по нему тока. Направление амперовой силы определяется по правилу левой руки.

Сила Ампера появляется благодаря следующему механизму:

1. при протекании тока вокруг проводника возникает магнитное поле с силовыми линиями, концентрически окружающими проводник (круговое поле);
2. вектор его индукции по одну сторону от проводника сонаправлен с вектором индукции первичного магнитного поля, в которое проводник помещен. С этой стороны первичное поле усиливается;
3. по другую сторону вектор наведенного электротоком поля направлен противоположно вектору индукции первичного поля, соответственно, здесь оно гасится;
4. разница в индукции поля по обе стороны проводника активирует к возникновению данной силы. Определяется она по формуле: F = B * I * L, где: B — магнитная индукция первичного поля, I — сила тока в проводнике, L — длина проводника.

Как и в случае с генератором, после поворота витка обмотки якоря в определенное положение, требуется переключение контактов для изменения в ней направления тока либо полярности индуктора. Поэтому в режиме двигателя коллектор также необходим.

У коллекторных двигателей есть преимущества:

• простота и широкий диапазон регулировки;
• жесткая механическая характеристика (вращающий момент остается стабильным).

Недостаток — низкая надежность коллектора и его сложность, негативно отражающаяся на стоимости двигателя.

Вот какими нежелательными явлениями сопровождается работа узла:

• искрение;
• засорение токопроводящей графитовой пылью (щетки выполнены из этого материала);
• появление помех в сети;
• при значительной нагрузке — кольцевое искрение («круговой огонь»), приводящее к выгоранию коллекторных пластин.

В целях борьбы с недостатками в некоторых современных двигателях постоянного тока (ДПТ) применены следующие решения:

1. обмотки якоря и индуктора меняются местами: первую размещают на неподвижной части (статоре), вторую — на вращающейся (роторе). Скользящий контакт при этом остается, но из-за низкой нагрузки в обмотке возбуждения, он намного проще и надежнее коллекторно-щеточного;
2. переключение между обмотками якоря, теперь расположенного в неподвижной части, осуществляется при помощи полупроводниковых ключей, срабатывающих по сигналу датчика положения ротора. То есть механический переключатель (коллектор) заменен электронным.

Такие двигатели называют бесколлекторными, за рубежом — BLDC-двигателями.

Как подготовить для подключения

Для правильного включения трехфазного двигателя необходимо помнить, что существует несколько схем соединения обмоток, среди которых:

• «Звезда». Одни концы обмотки соединяют вместе, а другими подключаются к фазным проводам сети;
• «Треугольник». Все три обмотки соединяются последовательно — конец каждой обмотки с началом следующей. Напряжение сети подается на точки соединения.

Обратите внимание! Для получения одинаковой мощности при соединении типа «звезда» требуется напряжение в √3 раз больше, чем при «треугольнике». Для двигателей, у которых допускается произвольное переключение обмоток, на шильдике обязательно указывается рабочее напряжение «220/380» или «127/220»

Первое значение относится к соединению «треугольник», второе к «звезде».

Колодка двигателя, соединение «звезда»

В таких электродвигателях на клеммную колодку попарно в три ряда выведены начало и концы всех обмоток:

• начало первой обмотки — конец второй;
• начало второй — конец третьей;
• начало третьей — конец первой.

Колодка двигателя, соединение «треугольник»

Для соединения «звезда» подключают один ряд из трех клемм двумя перемычками, а для соединения «треугольник» замыкают каждую пару тремя перемычками.

Управление двигателем

На практике применяют различные способы регулирования работы двигателя. Это может быть электронная схема, где регулирующим элементом выступает симистор, который на мотор «пропускает» заданное напряжение. Работает он как мгновенно срабатывающий ключ, открываясь, когда на его затвор поступает управляющий импульс.

В основе принципа действия, реализованного в схемах с симистором, лежит двухполупериодное фазовое регулирование, где к импульсам, которые поступают на электрод, привязано напряжение, подаваемое на двигатель. При этом, частота, с которой вращается якорь, прямо пропорциональна напряжению, подаваемому на обмотки.

Упрощенно этот принцип можно описать такими пунктами:

• на затвор симистора подается сигнал от электронной схемы;
• затвор открывается, ток течет по обмоткам статора, вызывая вращение якоря мотора М;
• мгновенные величины частоты вращения преобразуются тахогенератором в электрические сигналы, формируя с импульсами управления обратную связь;
• как следствие, вращение ротора при любых нагрузках, остается равномерным;
• с помощью реле R и R1 осуществляется реверс мотора.

Другая схема – тиристорана фазоимпульсная.

Как еще можно подключить электродвигатель

Подключая их в схему, производится запуск движка, который должен работать корректно.

Двигатели постоянного тока ДПТ Принцип действия подобных электромашин базируется на Законе Фарадея для магнитной индукции.

Так как в процессе пуска, тем более под нагрузкой, величина тока сильно возрастает, то и емкость пускового конденсатора должна быть раза в три больше конденсатора рабочего. Создается магнитное поле, взаимодействующее с роторной обмоткой и заставляющее его вращаться. Это контактор, дополненный вспомогательными механизмами, например, тепловым реле.

В неё выведены провода от обмоток и закреплены на клеммниках. Также учтите, что подключение электродвигателя мощностью от 3 кВт и более к обычной проводке запрещено, ведь это может привести к отключению автоматов или перегоранию пробок. Поэтому стоит продумать ситуацию, для чего можно просто снизить емкость установленного блока конденсаторов.

Конечно, это самое простое решение, но в тоже время Вы сразу получите резкое снижение мощности электродвигателя. Здесь есть два варианта: Номинальное напряжение 3хВ — вам повезло, и используйте приведенные выше схемы.

Использовать конденсаторы для постоянного напряжения в сетях с переменным, крайне не рекомендуется по причине того, что конденсаторы взрываются. При этом емкость пускового прибора будет находиться в диапазоне мкФ. Проще говоря, такой ток в двигателе будет только тогда, когда он будет полностью нагружен. Тип конденсаторов Какие же конденсаторы используются при подключении электродвигателя на вольт? Как видно, напряжение в распределяется на две последовательно соединенные обмотки, где каждая рассчитана на такое напряжение.

При таком раскладе электродвигатели подключаются правильно по схеме звезда или треугольник. Статор имеет специальные пазы углубления , в которые и укладывается обмотка, распределенная таким образом, чтобы угловое расстояние составляло градусов. Когда требуется отключить питание, включается К1. Этого достаточно для запуска электродвигателя; Рабочий, или номинальный; Перегрузочный.

Необходимо посмотреть на бирке двигателя, на какое напряжение рассчитаны его обмотки, есть возможность соединения обмоток звездой и треугольником. При таком раскладе электродвигатели подключаются правильно по схеме звезда или треугольник. Из электродвигателя торчат три провода.
Как быстро и просто подключить трехфазный двигатель в однофазную сеть DuMA8819

Принцип работы электродвигателя постоянного тока

Способ 1. Смена направления тока в рамке.

Этот способ используется в двигателях постоянного тока и его потомках.

Наблюдаем за картинками. Пусть наш двигатель обесточен и рамка с током ориентирована как-то хаотично, вот так например:

На случайно расположенную рамку действует сила Ампера и она начинает вращаться.

В процессе движения рамка достигает угла 90°. Момент (момент пары сил или вращательный момент) максимальный.

   Рис. 4.3

И вот рамка достигает положения, когда момента вращения нет. И если сейчас не отключить ток, то сила Ампера будет уже тормозить рамку и в конце полуоборота рамка остановится и начнёт вращение в противоположном направлении. Но нам ведь этого не надо.

Поэтому мы на рис.3 делаем хитрый ход – меняем направление тока в рамке.

   Рис. 4.4

И вот после пересечения этого положения, рамка с поменянным направлением тока уже не тормозится, а снова разгоняется.

А когда рамка подходит к следующему положению равновесия, мы меняем ток ещё раз.

   Рис. 4.6

И рамка опять продолжает ускоряться куда нам надо.

Вот так и получается постоянное вращение. Красиво? Красиво. Нужно только менять направление тока два раза за оборот и всего делов.

А делает это, т.е. обеспечивает смену тока специальный узел – щёточно-коллекторный узел. Принципиально он устроен так:

   Рис. 5

Рисунок понятен и без пояснений. Рамка трётся то об один контакт, то об другой и так вот ток и меняется.

Очень важная особенность щёточно-коллекторного узла – его малый ресурс. Из-за трения. Например, вот движок ДПР-52-Н1 – минимальная наработка 1000 часов. В то же время срок службы современных бесколлекторных двигателей более 10000 часов, а двигателей переменного тока (там тоже нет ЩКУ) более 40000 часов.

Схема подключения (упрощенная)

Типовая схема подключения предусматривает вывод на контактную планку до десяти контактов. Протекающий по одной из щеток ток L поступает на коллектор и якорь, затем переходит на обмотки статора через вторую щетку и перемычку, выходя на нейтраль N.

Рекомендуем:

• Dji phantom 3 standard: инструкция, описание, достоинства
• Как называется электродоска без руля
• Классификация электродвигателей

Изменить направление вращения возможно, если поменять на контактной планке местами выхода обмоток. Напрямую двигатель включают, когда вывода ротора и статора подсоединены щеточно-коллекторный механизм. Для включения второй скорости используются выводы половины обмотки. Нельзя забывать, что с момента такого подключения мотор работает на максимальную мощность, поэтому время его эксплуатации не может превышать 15 секунд.

Видео: Подключение и регулировка оборотов двигателя от стиральной машины