Η μελέτη του εργαστηρίου ηλεκτροκινητήρων συνεχούς ρεύματος. Κατανοούμε τις αρχές λειτουργίας των ηλεκτροκινητήρων: τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των διαφόρων τύπων. Πώς λειτουργεί ένας ηλεκτροκινητήρας
να μελετήσει τη συσκευή, την αρχή της λειτουργίας, τα χαρακτηριστικά του κινητήρα συνεχούς ρεύματος.
αποκτήσουν πρακτικές δεξιότητες για την εκκίνηση, τη λειτουργία και τη διακοπή ενός ηλεκτροκινητήρα συνεχούς ρεύματος.
να διερευνήσει πειραματικά θεωρητικές πληροφορίες σχετικά με τα χαρακτηριστικά ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος.
Βασικές θεωρητικές διατάξεις
Ένας ηλεκτροκινητήρας συνεχούς ρεύματος είναι μια ηλεκτρική μηχανή που έχει σχεδιαστεί για να μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια.
Η συσκευή του κινητήρα DC δεν διαφέρει από τη γεννήτρια DC. Αυτή η περίσταση κάνει τις ηλεκτρικές μηχανές συνεχούς ρεύματος αναστρέψιμες, δηλαδή τους επιτρέπει να χρησιμοποιούνται τόσο σε λειτουργία γεννήτριας όσο και σε λειτουργία κινητήρα. Δομικά, ένας κινητήρας συνεχούς ρεύματος έχει σταθερά και κινητά στοιχεία, τα οποία φαίνονται στο Σχ. ένας.
Το σταθερό μέρος - στάτορας 1 (πλαίσιο) είναι κατασκευασμένο από χυτό χάλυβα, αποτελείται από 2 κύριους και επιπλέον 3 πόλους με περιελίξεις διέγερσης 4 και 5 και μια τραβέρσα βούρτσας με βούρτσες. Ο στάτορας εκτελεί τη λειτουργία ενός μαγνητικού κυκλώματος. Με τη βοήθεια των κύριων πόλων δημιουργείται ένα μαγνητικό πεδίο σταθερό στο χρόνο και ακίνητο στο χώρο. Πρόσθετοι πόλοι τοποθετούνται μεταξύ των κύριων πόλων και βελτιώνουν τις συνθήκες μεταγωγής.
Το κινητό μέρος του κινητήρα συνεχούς ρεύματος είναι ο ρότορας 6 (οπλισμός), ο οποίος είναι τοποθετημένος σε έναν περιστρεφόμενο άξονα. Ο οπλισμός παίζει επίσης το ρόλο ενός μαγνητικού κυκλώματος. Είναι κατασκευασμένο από λεπτά, ηλεκτρικά απομονωμένα μεταξύ τους, λεπτά φύλλα ηλεκτρικού χάλυβα με υψηλή περιεκτικότητα σε πυρίτιο, που μειώνει τις απώλειες ισχύος. Τα τυλίγματα 7 πιέζονται στις αυλακώσεις του οπλισμού, των οποίων οι αγωγοί συνδέονται με τις πλάκες συλλέκτη 8, τοποθετημένες στον ίδιο άξονα κινητήρα (βλ. Εικ. 1).
Εξετάστε την αρχή λειτουργίας ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος. Η σύνδεση σταθερής τάσης στους ακροδέκτες μιας ηλεκτρικής μηχανής προκαλεί την ταυτόχρονη εμφάνιση στις περιελίξεις διέγερσης (στάτορα) και στις περιελίξεις του οπλισμού ρεύματος (Εικ. 2). Ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης του ρεύματος του οπλισμού με τη μαγνητική ροή που δημιουργείται από την περιέλιξη του πεδίου, δημιουργείται μια δύναμη στον στάτορα φά, που καθορίζεται από το νόμο του Ampère . Η κατεύθυνση αυτής της δύναμης καθορίζεται από τον κανόνα του αριστερού χεριού (Εικ. 2), σύμφωνα με τον οποίο είναι προσανατολισμένος κάθετα τόσο στο ρεύμα Εγώ(στην περιέλιξη του οπλισμού), και στο διάνυσμα μαγνητικής επαγωγής V(δημιουργείται από την περιέλιξη διέγερσης). Ως αποτέλεσμα, ένα ζεύγος δυνάμεων ενεργεί στον ρότορα (Εικ. 2). Η δύναμη δρα στο πάνω μέρος του ρότορα προς τα δεξιά, στο κάτω μέρος - προς τα αριστερά. Αυτό το ζεύγος δυνάμεων δημιουργεί μια ροπή, υπό τη δράση της οποίας ο οπλισμός οδηγείται σε περιστροφή. Το μέγεθος της αναδυόμενης ηλεκτρομαγνητικής ροπής αποδεικνύεται ίσο με
Μ = ντοΜ ΕγώΕίμαι φά,
που Με m - συντελεστής ανάλογα με τη σχεδίαση της περιέλιξης του οπλισμού και τον αριθμό των πόλων του ηλεκτροκινητήρα. φά- μαγνητική ροή ενός ζεύγους κύριων πόλων του ηλεκτροκινητήρα. ΕγώΕίμαι - ρεύμα οπλισμού κινητήρα. Όπως προκύπτει από το Σχ. 2, η περιστροφή των περιελίξεων του οπλισμού συνοδεύεται από ταυτόχρονη αλλαγή της πολικότητας στις πλάκες συλλέκτη. Η κατεύθυνση του ρεύματος στις στροφές της περιέλιξης του οπλισμού αλλάζει προς το αντίθετο, αλλά η μαγνητική ροή των περιελίξεων διέγερσης διατηρεί την ίδια κατεύθυνση, γεγονός που προκαλεί την κατεύθυνση των δυνάμεων να παραμένει αμετάβλητη. φά, και ως εκ τούτου η ροπή.
Η περιστροφή του οπλισμού σε ένα μαγνητικό πεδίο οδηγεί στην εμφάνιση ενός emf στην περιέλιξή του, η κατεύθυνση του οποίου καθορίζεται ήδη από τον κανόνα του δεξιού χεριού. Ως αποτέλεσμα, για αυτό που φαίνεται στο Σχ. 2 διαμορφώσεις πεδίων και δυνάμεων στην περιέλιξη του οπλισμού, θα προκύψει ρεύμα επαγωγής, που κατευθύνεται αντίθετα από το κύριο ρεύμα. Επομένως, το αναδυόμενο EMF ονομάζεται αντίθετο EMF. Η αξία του είναι
μι = Μεμι nΦ,
που n- συχνότητα περιστροφής του οπλισμού του ηλεκτροκινητήρα. ΜεΤο e είναι ένας συντελεστής που εξαρτάται από τα δομικά στοιχεία της μηχανής. Αυτό το EMF υποβαθμίζει την απόδοση του κινητήρα.
Το ρεύμα στον οπλισμό δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο που επηρεάζει το μαγνητικό πεδίο των κύριων πόλων (στάτορα), το οποίο ονομάζεται αντίδραση οπλισμού. Στην κατάσταση αδράνειας του μηχανήματος, το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται μόνο από τους κύριους πόλους. Αυτό το πεδίο είναι συμμετρικό ως προς τους άξονες αυτών των πόλων και ομοαξονικό με αυτούς. Όταν συνδέεται σε κινητήρα φορτίου, λόγω του ρεύματος στην περιέλιξη του οπλισμού, δημιουργείται ένα μαγνητικό πεδίο - το πεδίο οπλισμού. Ο άξονας αυτού του πεδίου θα είναι κάθετος στον άξονα των κύριων πόλων. Δεδομένου ότι η κατανομή ρεύματος στους αγωγούς οπλισμού παραμένει αμετάβλητη κατά την περιστροφή του οπλισμού, το πεδίο οπλισμού παραμένει ακίνητο στο χώρο. Η προσθήκη αυτού του πεδίου στο πεδίο των κύριων πόλων δίνει το προκύπτον πεδίο, το οποίο ξεδιπλώνεται μέσω μιας γωνίας ενάντια στην φορά περιστροφής του οπλισμού. Ως αποτέλεσμα, η ροπή μειώνεται, καθώς μέρος των αγωγών εισέρχεται στη ζώνη του πόλου αντίθετης πολικότητας και δημιουργεί μια ροπή πέδησης. Σε αυτή την περίπτωση, οι βούρτσες σπινθήρες και ο συλλέκτης καίγεται, δημιουργείται ένα διαμήκη απομαγνητιστικό πεδίο.
Προκειμένου να μειωθεί η επίδραση της αντίδρασης οπλισμού στη λειτουργία του μηχανήματος, ενσωματώνονται επιπλέον πόλοι σε αυτό. Οι περιελίξεις τέτοιων πόλων συνδέονται σε σειρά με την κύρια περιέλιξη του οπλισμού, αλλά μια αλλαγή στην κατεύθυνση της περιέλιξης σε αυτά προκαλεί την εμφάνιση ενός μαγνητικού πεδίου που κατευθύνεται ενάντια στο μαγνητικό πεδίο του οπλισμού.
Για να αλλάξετε την κατεύθυνση περιστροφής ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος, είναι απαραίτητο να αλλάξετε την πολικότητα της τάσης που παρέχεται στον οπλισμό ή στην περιέλιξη πεδίου.
Ανάλογα με τη μέθοδο ενεργοποίησης της περιέλιξης διέγερσης, οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος διακρίνονται με παράλληλη, σειριακή και μικτή διέγερση.
Για κινητήρες με παράλληλη διέγερση, η περιέλιξη έχει σχεδιαστεί για την πλήρη τάση του δικτύου τροφοδοσίας και συνδέεται παράλληλα με το κύκλωμα οπλισμού (Εικ. 3).
Ένας κινητήρας με διέγερση σειράς έχει μια περιέλιξη πεδίου που συνδέεται σε σειρά με τον οπλισμό, επομένως αυτή η περιέλιξη έχει σχεδιαστεί για το πλήρες ρεύμα οπλισμού (Εικ. 4).
Οι κινητήρες με μικτή διέγερση έχουν δύο περιελίξεις, το ένα συνδέεται παράλληλα, το άλλο συνδέεται σε σειρά με οπλισμό (Εικ. 5).
Ρύζι. 3 Εικ. 4
Κατά την εκκίνηση κινητήρων συνεχούς ρεύματος (ανεξάρτητα από τη μέθοδο διέγερσης) με απευθείας σύνδεση στο δίκτυο τροφοδοσίας, εμφανίζονται σημαντικά ρεύματα εκκίνησης, τα οποία μπορεί να οδηγήσουν σε αστοχία τους. Αυτό συμβαίνει ως αποτέλεσμα της απελευθέρωσης σημαντικής ποσότητας θερμότητας στην περιέλιξη του οπλισμού και της επακόλουθης παραβίασης της μόνωσής του. Επομένως, η εκκίνηση των κινητήρων συνεχούς ρεύματος πραγματοποιείται με ειδικές συσκευές εκκίνησης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, για αυτούς τους σκοπούς, χρησιμοποιείται η απλούστερη συσκευή εκκίνησης - ένας ρεοστάτης εκκίνησης. Η διαδικασία εκκίνησης κινητήρα συνεχούς ρεύματος με ρεοστάτη εκκίνησης παρουσιάζεται χρησιμοποιώντας το παράδειγμα κινητήρα συνεχούς ρεύματος με παράλληλη διέγερση.
Με βάση την εξίσωση που συντάχθηκε σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο Kirchhoff για την αριστερή πλευρά του ηλεκτρικού κυκλώματος (βλ. Εικ. 3), ο ρεοστάτης εκκίνησης αφαιρείται εντελώς ( R start = 0), ρεύμα οπλισμού
,
που U- τάση που παρέχεται στον ηλεκτροκινητήρα. R i είναι η αντίσταση της περιέλιξης του οπλισμού.
Στην αρχική στιγμή εκκίνησης του ηλεκτροκινητήρα, η ταχύτητα του οπλισμού n= 0, επομένως, η αντίθετη ηλεκτροκινητική δύναμη που προκαλείται στην περιέλιξη του οπλισμού, σύμφωνα με την έκφραση που λήφθηκε προηγουμένως, θα είναι επίσης ίση με μηδέν ( μι= 0).
Αντίσταση περιέλιξης οπλισμού Rείμαι αρκετά μικρός. Για να περιοριστεί το απαράδεκτα μεγάλο ρεύμα στο κύκλωμα οπλισμού κατά την εκκίνηση, ένας ρεοστάτης εκκίνησης ενεργοποιείται σε σειρά με τον οπλισμό, ανεξάρτητα από τη μέθοδο διέγερσης του κινητήρα (αντίσταση εκκίνησης Rαρχή). Σε αυτή την περίπτωση, το ρεύμα εκκίνησης του οπλισμού
.
Αντίσταση εκκίνησης ρεοστάτη Rη εκκίνηση υπολογίζεται για λειτουργία μόνο για τον χρόνο εκκίνησης και επιλέγεται με τέτοιο τρόπο ώστε το ρεύμα εκκίνησης του οπλισμού κινητήρα να μην υπερβαίνει την επιτρεπόμενη τιμή ( Εγώ i, έναρξη 2 Εγώ i, ονομ.). Καθώς ο κινητήρας επιταχύνεται, το EMF προκαλείται στην περιέλιξη του οπλισμού λόγω της αύξησης της συχνότητας περιστροφής του n αυξάνει ( μι=Μεμι nΦ). Ως αποτέλεσμα αυτού, το ρεύμα οπλισμού, ceteris paribus, μειώνεται. Σε αυτή την περίπτωση, η αντίσταση του ρεοστάτη εκκίνησης R αρχήκαθώς ο οπλισμός του κινητήρα επιταχύνεται, πρέπει να μειωθεί σταδιακά. Μετά το τέλος της επιτάχυνσης του κινητήρα στην ονομαστική τιμή της ταχύτητας οπλισμού, το EMF αυξάνεται τόσο πολύ που η αντίσταση εκκίνησης μπορεί να μειωθεί στο μηδέν, χωρίς τον κίνδυνο σημαντικής αύξησης του ρεύματος οπλισμού.
Άρα η αρχική αντίσταση RΗ εκκίνηση στο κύκλωμα οπλισμού είναι απαραίτητη μόνο κατά την εκκίνηση. Κατά την κανονική λειτουργία του ηλεκτροκινητήρα, πρέπει να απενεργοποιείται, πρώτον, επειδή έχει σχεδιαστεί για βραχυπρόθεσμη λειτουργία κατά την εκκίνηση, και δεύτερον, εάν υπάρχει αντίσταση εκκίνησης, απώλειες θερμικής ισχύος ίσες με Rαρχή Εγώ 2 I, μειώνοντας σημαντικά την απόδοση του ηλεκτροκινητήρα.
.
Λαμβάνοντας υπόψη την έκφραση για το EMF ( μι=Μεμι nΦ), γράφοντας τον προκύπτοντα τύπο για τη συχνότητα περιστροφής, λαμβάνουμε την εξίσωση για τη συχνότητα (ταχύτητα) χαρακτηριστικό του ηλεκτροκινητήρα n(ΕγώΕίμαι):
.
Από αυτό προκύπτει ότι ελλείψει φορτίου στον άξονα και το ρεύμα οπλισμού ΕγώΕίμαι = 0 ταχύτητα περιστροφής του ηλεκτροκινητήρα σε δεδομένη τιμή της τάσης τροφοδοσίας
.
Ταχύτητα κινητήρα n 0 είναι η ιδανική ταχύτητα στο ρελαντί. Εκτός από τις παραμέτρους του ηλεκτροκινητήρα, εξαρτάται και από την τιμή της τάσης εισόδου και της μαγνητικής ροής. Με τη μείωση της μαγνητικής ροής, ενώ άλλα πράγματα είναι ίσα, η ταχύτητα περιστροφής μιας ιδανικής ταχύτητας ρελαντί αυξάνεται. Επομένως, σε περίπτωση ανοιχτού κυκλώματος της περιέλιξης διέγερσης, όταν το ρεύμα διέγερσης γίνει μηδέν ( Εγώ c = 0), η μαγνητική ροή του κινητήρα μειώνεται σε τιμή ίση με την τιμή της υπολειπόμενης μαγνητικής ροής φάυπόλοιπο. Σε αυτή την περίπτωση, ο κινητήρας «πέφτει σε υπερκίνηση», αναπτύσσοντας ταχύτητα πολύ μεγαλύτερη από την ονομαστική, γεγονός που εγκυμονεί συγκεκριμένο κίνδυνο τόσο για τον κινητήρα όσο και για το προσωπικό συντήρησης.
Συχνότητα (ταχύτητα) χαρακτηριστικό κινητήρα συνεχούς ρεύματος με παράλληλη διέγερση n(Εγώ i) σε σταθερή τιμή της μαγνητικής ροής φά=συνθκαι σταθερή τιμή της τάσης εισόδου U = καταστμοιάζει με ευθεία γραμμή (Εικ. 6).
Εκφράζοντας στις εξισώσεις των χαρακτηριστικών συχνότητας το ρεύμα οπλισμού μέσω της ηλεκτρομαγνητικής ροπής του κινητήρα Μ =ΜεΜ ΕγώΕίμαι φά, λαμβάνουμε την εξίσωση του μηχανικού χαρακτηριστικού, δηλαδή τις εξαρτήσεις n(Μ) στο U = καταστγια κινητήρες με παράλληλη διέγερση:
.
Παραβλέποντας την επίδραση της αντίδρασης οπλισμού στη διαδικασία αλλαγής του φορτίου, είναι δυνατόν να αποδεχθούμε την ηλεκτρομαγνητική ροπή του κινητήρα ως ανάλογη με το ρεύμα του οπλισμού. Επομένως, τα μηχανικά χαρακτηριστικά των κινητήρων συνεχούς ρεύματος έχουν την ίδια μορφή με τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά συχνότητας. Ο κινητήρας διακλάδωσης έχει ένα άκαμπτο μηχανικό χαρακτηριστικό (Εικ. 7). Από αυτό το χαρακτηριστικό μπορεί να φανεί ότι η ταχύτητα περιστροφής του μειώνεται ελαφρώς με την αύξηση της ροπής φορτίου, καθώς το ρεύμα διέγερσης όταν η περιέλιξη διέγερσης συνδέεται παράλληλα και, κατά συνέπεια, η μαγνητική ροή του κινητήρα παραμένει πρακτικά αμετάβλητη και η αντίσταση του οπλισμού το κύκλωμα είναι σχετικά μικρό.
Τα χαρακτηριστικά απόδοσης ενός παράλληλου διεγερμένου κινητήρα συνεχούς ρεύματος φαίνονται στο σχ. 8. Από αυτά τα χαρακτηριστικά φαίνεται ότι η ταχύτητα περιστροφής nκινητήρες με παράλληλη διέγερση με αυξανόμενο φορτίο μειώνεται ελαφρώς. Η εξάρτηση της χρήσιμης ροπής στον άξονα του κινητήρα από την ισχύ R 2 είναι σχεδόν ευθεία γραμμή, αφού η ροπή αυτού του κινητήρα είναι ανάλογη με το φορτίο στον άξονα: Μ=kP 2 / n. Η καμπυλότητα αυτής της εξάρτησης εξηγείται από μια ελαφρά μείωση της ταχύτητας περιστροφής με την αύξηση του φορτίου.
Στο R 2 = 0 το ρεύμα που καταναλώνει ο ηλεκτροκινητήρας είναι ίσο με το ρεύμα χωρίς φορτίο. Με την αύξηση της ισχύος, το ρεύμα του οπλισμού αυξάνεται περίπου σύμφωνα με την ίδια εξάρτηση με τη ροπή του φορτίου στον άξονα, αφού υπό την προϋπόθεση φά=συνθτο ρεύμα του οπλισμού είναι ανάλογο με τη ροπή του φορτίου. Η απόδοση ενός ηλεκτροκινητήρα ορίζεται ως ο λόγος της χρήσιμης ισχύος στον άξονα προς την ισχύ που καταναλώνεται από το δίκτυο:
,
που R 2 - Χρήσιμη ισχύς άξονα. R 1 =UI- ισχύς που καταναλώνεται από τον ηλεκτροκινητήρα από το δίκτυο τροφοδοσίας· Rεί = Εγώ 2 i R i - απώλειες ηλεκτρικής ισχύος στο κύκλωμα οπλισμού, R ev = UIσε, = Εγώ 2 σε R v - Απώλειες ηλεκτρικής ισχύος στο κύκλωμα διέγερσης. Rγούνα - απώλεια μηχανικής ισχύος. R m - απώλειες ισχύος λόγω υστέρησης και δινορευμάτων.
Με σταθερή τάση τροφοδοσίας και σταθερή μαγνητική ροή, κατά τη διαδικασία αλλαγής της τιμής αντίστασης του κυκλώματος οπλισμού, μπορεί να ληφθεί μια οικογένεια μηχανικών χαρακτηριστικών, για παράδειγμα, για έναν ηλεκτρικό κινητήρα με παράλληλη διέγερση (Εικ. 9).
Το πλεονέκτημα της εξεταζόμενης μεθόδου ελέγχου έγκειται στη σχετική απλότητά της και στην ικανότητα να επιτύχει μια ομαλή αλλαγή στην ταχύτητα περιστροφής σε ένα ευρύ φάσμα (από μηδέν έως την ονομαστική τιμή της συχνότητας nονομ.). Τα μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου περιλαμβάνουν το γεγονός ότι υπάρχουν σημαντικές απώλειες ισχύος στην πρόσθετη αντίσταση, που αυξάνονται με τη μείωση της ταχύτητας, καθώς και η ανάγκη χρήσης πρόσθετου εξοπλισμού ελέγχου. Επιπλέον, αυτή η μέθοδος δεν σας επιτρέπει να προσαρμόσετε την ταχύτητα του κινητήρα προς τα πάνω από την ονομαστική του τιμή.
Μια αλλαγή στην ταχύτητα περιστροφής ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος μπορεί επίσης να επιτευχθεί ως αποτέλεσμα της αλλαγής της τιμής της μαγνητικής ροής διέγερσης. Κατά την αλλαγή της μαγνητικής ροής σύμφωνα με την εξίσωση απόκρισης συχνότητας για κινητήρες συνεχούς ρεύματος με παράλληλη διέγερση σε μια σταθερή τιμή της τάσης τροφοδοσίας και μια σταθερή τιμή της αντίστασης του κυκλώματος οπλισμού, μπορεί να ληφθεί μια οικογένεια μηχανικών χαρακτηριστικών, όπως φαίνεται στο σχήμα. . 10.
Τα μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου θα πρέπει επίσης να περιλαμβάνουν ένα σχετικά μικρό εύρος ρύθμισης λόγω της παρουσίας περιορισμών στη μηχανική αντοχή και την ενεργοποίηση του ηλεκτροκινητήρα. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου ελέγχου είναι η απλότητά της. Για κινητήρες με παράλληλη διέγερση, αυτό επιτυγχάνεται με την αλλαγή της αντίστασης του ρυθμιστικού ρεοστάτη R Rστο κύκλωμα διέγερσης.
Για κινητήρες συνεχούς ρεύματος με διέγερση σειράς, μια αλλαγή στη μαγνητική ροή επιτυγχάνεται με τη διακοπή της περιέλιξης διέγερσης με αντίσταση κατάλληλης τιμής ή με βραχυκύκλωμα ορισμένου αριθμού στροφών της περιέλιξης διέγερσης.
Η ευρεία χρήση, ειδικά σε ηλεκτρικούς κινητήρες που κατασκευάζονται σύμφωνα με το σύστημα γεννήτριας-μοτέρ, έχει λάβει μια μέθοδο ελέγχου ταχύτητας με αλλαγή της τάσης στους σφιγκτήρες οπλισμού κινητήρα. Με σταθερή μαγνητική ροή και αντίσταση του κυκλώματος οπλισμού, ως αποτέλεσμα αλλαγής της τάσης του οπλισμού, μπορεί να ληφθεί μια οικογένεια χαρακτηριστικών συχνοτήτων.
Με αλλαγή στην τάση εισόδου, η ιδανική ταχύτητα ρελαντί n 0 σύμφωνα με την έκφραση που δόθηκε προηγουμένως, ποικίλλει ανάλογα με την τάση. Δεδομένου ότι η αντίσταση του κυκλώματος οπλισμού παραμένει αμετάβλητη, η ακαμψία της οικογένειας των μηχανικών χαρακτηριστικών δεν διαφέρει από τη ακαμψία του φυσικού μηχανικού χαρακτηριστικού στο U=Uονομ.
Το πλεονέκτημα της εξεταζόμενης μεθόδου ρύθμισης είναι ένα ευρύ φάσμα αλλαγών ταχύτητας χωρίς αυξανόμενες απώλειες ισχύος. Τα μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου περιλαμβάνουν το γεγονός ότι αυτό απαιτεί μια πηγή ρυθμιζόμενης τάσης τροφοδοσίας και αυτό οδηγεί σε αύξηση βάρους, διαστάσεων και κόστους εγκατάστασης.
Ο ηλεκτροκινητήρας είναι μια ηλεκτρική συσκευή για τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια. Σήμερα, οι ηλεκτροκινητήρες χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία για την κίνηση διαφόρων μηχανών και μηχανισμών. Στο νοικοκυριό τοποθετούνται σε πλυντήριο ρούχων, ψυγείο, αποχυμωτής, επεξεργαστής τροφίμων, ανεμιστήρες, ηλεκτρικές ξυριστικές μηχανές κ.λπ. Ηλεκτροκινητήρες που τίθενται σε κίνηση συσκευές και μηχανισμοί που συνδέονται με αυτό.
Σε αυτό το άρθρο, θα μιλήσω για τους πιο συνηθισμένους τύπους και αρχές λειτουργίας ηλεκτρικών κινητήρων AC, που χρησιμοποιούνται ευρέως στο γκαράζ, στο νοικοκυριό ή στο εργαστήριο.
Πώς λειτουργεί ένας ηλεκτροκινητήρας
Ο κινητήρας λειτουργεί με βάση το εφέανακαλύφθηκε από τον Michael Faraday το 1821. Ανακάλυψε ότι όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα σε έναν αγωγό αλληλεπιδρά με έναν μαγνήτη, μπορεί να συμβεί συνεχής περιστροφή.
Αν βρίσκεται σε ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίοτοποθετήστε το πλαίσιο σε κατακόρυφη θέση και περάστε ρεύμα μέσα από αυτό, τότε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο θα προκύψει γύρω από τον αγωγό, το οποίο θα αλληλεπιδράσει με τους πόλους των μαγνητών. Το πλαίσιο θα απωθείται από το ένα και θα έλκεται από το άλλο.
Ως αποτέλεσμα, το πλαίσιο θα στραφεί σε οριζόντια θέση, στην οποία θα υπάρχει μηδενική επίδραση του μαγνητικού πεδίου στον αγωγό. Για να συνεχιστεί η περιστροφή, πρέπει να προσθέσετε ένα άλλο πλαίσιο υπό γωνία ή να αλλάξετε την κατεύθυνση του ρεύματος στο πλαίσιο την κατάλληλη στιγμή.
Στο σχήμα, αυτό γίνεται χρησιμοποιώντας δύο ημιδακτυλίους, στους οποίους γειτνιάζουν οι πλάκες επαφής από την μπαταρία. Ως αποτέλεσμα, αφού ολοκληρωθεί μια μισή στροφή, η πολικότητα αλλάζει και η περιστροφή συνεχίζεται.
Στους σύγχρονους ηλεκτροκινητήρεςαντί για μόνιμους μαγνήτες, χρησιμοποιούνται επαγωγείς ή ηλεκτρομαγνήτες για τη δημιουργία μαγνητικού πεδίου. Εάν αποσυναρμολογήσετε οποιοδήποτε μοτέρ, θα δείτε περιελιγμένα πηνία σύρματος επικαλυμμένα με μονωτικό βερνίκι. Αυτές οι στροφές είναι ένας ηλεκτρομαγνήτης ή, όπως ονομάζονται επίσης, μια περιέλιξη διέγερσης.
Στο σπίτιΟι μόνιμοι μαγνήτες χρησιμοποιούνται σε παιδικά παιχνίδια που λειτουργούν με μπαταρία.
Σε άλλα πιο ισχυράοι κινητήρες χρησιμοποιούν μόνο ηλεκτρομαγνήτες ή περιελίξεις. Το περιστρεφόμενο τμήμα μαζί τους ονομάζεται ρότορας και το σταθερό μέρος ονομάζεται στάτορας.
Τύποι ηλεκτροκινητήρων
Σήμερα, υπάρχουν αρκετοί ηλεκτρικοί κινητήρες διαφορετικών σχεδίων και τύπων. Μπορούν να χωριστούν ανά τύπο τροφοδοσίας:
- Εναλλασσόμενο ρεύμαλειτουργεί απευθείας από το δίκτυο.
- Συνεχές ρεύμαπου λειτουργούν με μπαταρίες, μπαταρίες, τροφοδοτικά ή άλλες πηγές DC.
Σύμφωνα με την αρχή της εργασίας:
- Σύγχρονος, στα οποία υπάρχουν περιελίξεις στον ρότορα και μηχανισμός βούρτσας για την παροχή ηλεκτρικού ρεύματος σε αυτά.
- Ασύγχρονη, ο απλούστερος και πιο συνηθισμένος τύπος κινητήρα. Δεν έχουν βούρτσες και περιελίξεις στον ρότορα.
Ένας σύγχρονος κινητήρας περιστρέφεται συγχρόνως με το μαγνητικό πεδίο που τον περιστρέφει, ενώ για έναν ασύγχρονο κινητήρα, ο ρότορας περιστρέφεται πιο αργά από το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο στον στάτορα.
Η αρχή της λειτουργίας και η συσκευή ενός ασύγχρονου ηλεκτροκινητήρα
Σε ασύγχρονη συσκευασίακινητήρα, τοποθετούνται περιελίξεις στάτορα (για 380 βολτ θα υπάρχουν 3 από αυτά), τα οποία δημιουργούν ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Τα άκρα τους για σύνδεση εξάγονται σε ειδικό μπλοκ ακροδεκτών. Οι περιελίξεις ψύχονται χάρη σε έναν ανεμιστήρα που είναι τοποθετημένος στον άξονα στο άκρο του κινητήρα.
Στροφείο, που είναι ένα με τον άξονα, είναι κατασκευασμένο από μεταλλικές ράβδους που είναι κλειστές μεταξύ τους και από τις δύο πλευρές, γι' αυτό και ονομάζεται βραχυκυκλωμένο.
Χάρη σε αυτό το σχέδιο, δεν υπάρχει ανάγκη για συχνή περιοδική συντήρηση και αντικατάσταση των βουρτσών τροφοδοσίας ρεύματος, η αξιοπιστία, η αντοχή και η αξιοπιστία αυξάνονται σημαντικά.
Συνήθως, κύρια αιτία αποτυχίαςασύγχρονος κινητήρας είναι η φθορά των ρουλεμάν στα οποία περιστρέφεται ο άξονας.
Αρχή λειτουργίας.Για να λειτουργήσει ένας ασύγχρονος κινητήρας, είναι απαραίτητο ο ρότορας να περιστρέφεται πιο αργά από το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο του στάτορα, με αποτέλεσμα να προκαλείται EMF (παρουσιάζεται ηλεκτρικό ρεύμα) στον ρότορα. Εδώ είναι μια σημαντική προϋπόθεση, εάν ο ρότορας περιστρεφόταν με την ίδια ταχύτητα με το μαγνητικό πεδίο, τότε, σύμφωνα με το νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, δεν θα προκληθεί EMF σε αυτόν και, επομένως, δεν θα υπήρχε περιστροφή. Αλλά στην πραγματικότητα, λόγω της τριβής ή του φορτίου του άξονα, ο ρότορας θα περιστρέφεται πάντα πιο αργά.
Οι μαγνητικοί πόλοι περιστρέφονται συνεχώςστις περιελίξεις του κινητήρα και η κατεύθυνση του ρεύματος στον ρότορα αλλάζει συνεχώς. Σε ένα χρονικό σημείο, για παράδειγμα, η κατεύθυνση των ρευμάτων στις περιελίξεις του στάτορα και του ρότορα εμφανίζεται σχηματικά με τη μορφή σταυρών (το ρεύμα ρέει από εμάς) και κουκκίδων (το ρεύμα προς εμάς). Το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο εμφανίζεται ως διακεκομμένη γραμμή.
Για παράδειγμα, πώς λειτουργεί ένα δισκοπρίονο. Έχει την υψηλότερη ταχύτητα χωρίς φορτίο. Αλλά μόλις αρχίσουμε να κόβουμε την σανίδα, η ταχύτητα περιστροφής μειώνεται και ταυτόχρονα ο ρότορας αρχίζει να περιστρέφεται πιο αργά σε σχέση με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο και, σύμφωνα με τους νόμους της ηλεκτρολογίας, αρχίζει να προκαλείται ακόμη μεγαλύτερη τιμή EMF μέσα σε αυτό. Το ρεύμα που καταναλώνει ο κινητήρας αυξάνεται και αρχίζει να λειτουργεί με πλήρη ισχύ. Εάν το φορτίο στον άξονα είναι τόσο μεγάλο ώστε να σταματήσει, τότε μπορεί να προκληθεί ζημιά στον ρότορα του κλωβού του σκίουρου λόγω της μέγιστης τιμής του EMF που προκαλείται σε αυτόν. Γι' αυτό είναι σημαντικό να επιλέξετε έναν κινητήρα κατάλληλης ισχύος. Εάν πάρετε περισσότερα, τότε το κόστος ενέργειας θα είναι αδικαιολόγητο.
Ταχύτητα ρότοραεξαρτάται από τον αριθμό των πόλων. Με 2 πόλους, η ταχύτητα περιστροφής θα είναι ίση με την ταχύτητα περιστροφής του μαγνητικού πεδίου, ίση με το πολύ 3000 στροφές ανά δευτερόλεπτο σε συχνότητα δικτύου 50 Hz. Για να μειώσετε την ταχύτητα στο μισό, είναι απαραίτητο να αυξήσετε τον αριθμό των πόλων στον στάτορα σε τέσσερις.
Ένα σημαντικό μειονέκτημα της ασύγχρονηςκινητήρες είναι ότι εξυπηρετούνται ρυθμίζοντας την ταχύτητα περιστροφής του άξονα μόνο αλλάζοντας τη συχνότητα του ηλεκτρικού ρεύματος. Και έτσι δεν είναι δυνατό να επιτευχθεί σταθερή ταχύτητα άξονα.
Η αρχή της λειτουργίας και η συσκευή ενός σύγχρονου κινητήρα AC
Αυτός ο τύπος ηλεκτροκινητήρα χρησιμοποιείται στην καθημερινή ζωή όπου απαιτείται σταθερή ταχύτητα περιστροφής, δυνατότητα προσαρμογής της, καθώς και εάν απαιτείται ταχύτητα περιστροφής μεγαλύτερη από 3000 rpm (αυτή είναι η μέγιστη για ασύγχρονη).
Οι σύγχρονοι κινητήρες τοποθετούνται σε ηλεκτρικά εργαλεία, ηλεκτρικές σκούπες, πλυντήρια κ.λπ.
Στην περίπτωση ενός σύγχρονουΟι περιελίξεις του κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος βρίσκονται (3 στο σχήμα), οι οποίες τυλίγονται επίσης στον ρότορα ή τον οπλισμό (1). Τα συμπεράσματά τους συγκολλούνται στους τομείς του δακτυλίου ολίσθησης ή του συλλέκτη (5), οι οποίοι ενεργοποιούνται με τη βοήθεια βουρτσών γραφίτη (4). Επιπλέον, τα συμπεράσματα είναι διατεταγμένα έτσι ώστε οι βούρτσες να παρέχουν πάντα τάση μόνο σε ένα ζεύγος.
Οι πιο συχνές βλάβεςΟι κινητήρες συλλεκτών είναι:
- Φθορά βούρτσαςή την κακή επαφή τους λόγω της αποδυνάμωσης του ελατηρίου σύσφιξης.
- Συλλεκτική ρύπανση.Καθαρίστε είτε με οινόπνευμα είτε με μηδενικό γυαλόχαρτο.
- Φθορά ρουλεμάν.
Αρχή λειτουργίας.Η ροπή στον ηλεκτροκινητήρα δημιουργείται ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης μεταξύ του ρεύματος του οπλισμού και της μαγνητικής ροής στην περιέλιξη του πεδίου. Με μια αλλαγή στην κατεύθυνση του εναλλασσόμενου ρεύματος, η κατεύθυνση της μαγνητικής ροής θα αλλάξει επίσης ταυτόχρονα στο σώμα και τον οπλισμό, λόγω του οποίου η περιστροφή θα είναι πάντα στην ίδια κατεύθυνση.
Εργαστήριο #9
Θέμα. Η μελέτη του κινητήρα συνεχούς ρεύματος.
Σκοπός: να μελετήσει τη συσκευή και την αρχή λειτουργίας του ηλεκτροκινητήρα.
Εξοπλισμός: μοντέλο ηλεκτροκινητήρα, πηγή ρεύματος, ρεοστάτης, κλειδί, αμπερόμετρο, καλώδια σύνδεσης, σχέδια, παρουσίαση.
ΚΑΘΗΚΟΝΤΑ:
1 . Μελετήστε τη συσκευή και την αρχή λειτουργίας του ηλεκτροκινητήρα, χρησιμοποιώντας παρουσίαση, σχέδια και μοντέλο.
2 . Συνδέστε τον κινητήρα σε μια πηγή ρεύματος και παρατηρήστε τη λειτουργία του. Εάν ο κινητήρας δεν λειτουργεί, βρείτε την αιτία, προσπαθήστε να διορθώσετε το πρόβλημα.
3 . Υποδείξτε τα δύο κύρια στοιχεία στη συσκευή του ηλεκτροκινητήρα.
4 . Σε ποιο φυσικό φαινόμενο βασίζεται η δράση ενός ηλεκτροκινητήρα;
5 . Αλλάξτε την φορά περιστροφής του οπλισμού. Γράψτε τι πρέπει να γίνει.
6. Συναρμολογήστε το ηλεκτρικό κύκλωμα συνδέοντας σε σειρά έναν ηλεκτροκινητήρα, έναν ρεοστάτη, μια πηγή ρεύματος, ένα αμπερόμετρο και ένα κλειδί. Αλλάξτε το ρεύμα και παρατηρήστε τη λειτουργία του ηλεκτροκινητήρα. Αλλάζει η ταχύτητα περιστροφής του οπλισμού; Καταγράψτε το συμπέρασμα σχετικά με την εξάρτηση της δύναμης που ενεργεί στην πλευρά του μαγνητικού πεδίου στο πηνίο, από την ένταση του ρεύματος στο πηνίο.
7 . Οι ηλεκτρικοί κινητήρες μπορούν να είναι οποιασδήποτε ισχύος, επειδή:
Α) μπορείτε να αλλάξετε την τρέχουσα ισχύ στην περιέλιξη του οπλισμού.
Β) μπορείτε να αλλάξετε το μαγνητικό πεδίο του επαγωγέα.
Προσδιορίστε τη σωστή απάντηση:
1) Μόνο το Α είναι αληθές. 2) Μόνο το Β είναι αληθές. 3) Και το Α και το Β είναι αληθή. 4) Και το Α και το Β είναι λάθος.
8 . Αναφέρετε τα πλεονεκτήματα ενός ηλεκτροκινητήρα έναντι ενός θερμικού κινητήρα.
1. Σκοπός της εργασίας:Να μελετήσει τα χαρακτηριστικά της εκκίνησης, τα μηχανικά χαρακτηριστικά και τους τρόπους ελέγχου της ταχύτητας ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος με μικτή διέγερση.
Αδανία.
2.1. για ανεξάρτητη εργασία:
Για τη μελέτη των χαρακτηριστικών σχεδιασμού, κυκλωμάτων για την ενεργοποίηση κινητήρων συνεχούς ρεύματος.
Να μελετήσει τη μέθοδο απόκτησης των μηχανικών χαρακτηριστικών ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος.
Εξοικειωθείτε με τις δυνατότητες εκκίνησης και ελέγχου της ταχύτητας ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος.
Σχεδιάστε διαγράμματα κυκλώματος για τη μέτρηση της αντίστασης του κυκλώματος οπλισμού και των περιελίξεων πεδίου (Εικ. 6.4) και τη δοκιμή του κινητήρα (Εικ. 6.2).
Χρησιμοποιώντας το σχ. 6.2 και 6.3 συντάσσουν ένα διάγραμμα καλωδίωσης.
Σχεδιάστε τις φόρμες των πινάκων 6.1 ... 6.4;
Προετοιμάστε προφορικές απαντήσεις σε ερωτήσεις ελέγχου.
2.2. για εργασία στο εργαστήριο:
Εξοικειωθείτε με τις εργαστηριακές ρυθμίσεις.
Καταγραφή στον πίνακα 6.1. δεδομένα διαβατηρίου του κινητήρα.
Μετρήστε την αντίσταση του κυκλώματος οπλισμού και των περιελίξεων πεδίου. Καταγράψτε τα δεδομένα στον πίνακα 6.1.
Συναρμολογήστε το κύκλωμα και πραγματοποιήστε μια μελέτη του κινητήρα, σημειώστε τα δεδομένα στους πίνακες 6.2, 6.3, 6.4.
Κατασκευάστε ένα φυσικό μηχανικό χαρακτηριστικό n=f(M) και χαρακτηριστικά ταχύτητας n=f(I B) και n=f(U);
Εξάγετε συμπεράσματα από τα αποτελέσματα της μελέτης.
Γενικές πληροφορίες.
Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος, σε αντίθεση με τους κινητήρες AC (κυρίως τους ασύγχρονους), έχουν μεγάλο λόγο ροπής εκκίνησης και ικανότητα υπερφόρτωσης και παρέχουν ομαλό έλεγχο της ταχύτητας της μηχανής εργασίας. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται για την οδήγηση μηχανών και μηχανισμών με δύσκολες συνθήκες εκκίνησης (για παράδειγμα, ως εκκινητές σε κινητήρες εσωτερικής καύσης), καθώς και, εάν είναι απαραίτητο, για τον έλεγχο της ταχύτητας περιστροφής σε μεγάλο εύρος (μηχανισμοί τροφοδοσίας εργαλειομηχανών, λειτουργία σταντ φρένων, ηλεκτροκίνητα οχήματα).
Δομικά, ο κινητήρας αποτελείται από μια σταθερή μονάδα (επαγωγέας) και μια περιστρεφόμενη μονάδα (οπλισμός). Οι περιελίξεις διέγερσης βρίσκονται στο μαγνητικό κύκλωμα του επαγωγέα. Υπάρχουν δύο από αυτά σε έναν κινητήρα μικτής διέγερσης: παράλληλα με τους ακροδέκτες Sh 1 και Sh2 και σειριακές με τους ακροδέκτες C1 και C2 (Εικ. 6.2). Η αντίσταση της παράλληλης περιέλιξης R ovsh είναι, ανάλογα με την ισχύ του κινητήρα, από αρκετές δεκάδες έως εκατοντάδες ohms. Κατασκευάζεται με σύρμα μικρής διατομής με μεγάλο αριθμό στροφών. Η περιέλιξη σειράς έχει χαμηλή αντίσταση R obc (συνήθως από λίγα ohms έως κλάσματα του ωμ), επειδή αποτελείται από μικρό αριθμό στροφών σύρματος μεγάλης διατομής. Ο επαγωγέας χρησιμεύει για τη δημιουργία μιας μαγνητικής ροής διέγερσης όταν οι περιελίξεις του τροφοδοτούνται από συνεχές ρεύμα.
Η περιέλιξη του οπλισμού τοποθετείται στις αυλακώσεις του μαγνητικού κυκλώματος και φέρεται στον συλλέκτη. Με τη βοήθεια πινέλων, τα συμπεράσματά του I I και I 2 συνδέονται με μια πηγή συνεχούς ρεύματος. Η αντίσταση της περιέλιξης του οπλισμού R I είναι μικρή (Ωμ ή κλάσματα ενός Ohm).
Η ροπή M ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος δημιουργείται από την αλληλεπίδραση του ρεύματος του οπλισμού Ia με τη μαγνητική ροή διέγερσης Ф:
M \u003d K × Ia × F, (6.1)
όπου Κ είναι ένας σταθερός συντελεστής ανάλογα με τη σχεδίαση του κινητήρα.
Όταν ο οπλισμός περιστρέφεται, η περιέλιξή του διασχίζει τη μαγνητική ροή διέγερσης και επάγεται ένα EMF E σε αυτό, ανάλογο με τη συχνότητα περιστροφής n:
E \u003d C × n × F, (6.2)
όπου το C είναι σταθερός παράγοντας ανάλογα με τη σχεδίαση του κινητήρα.
Ρεύμα οπλισμού:
I I \u003d (U - E) / (R I + R OBC) \u003d (U - C × n × F) / (R I + R OBC), (6.3)
Λύνοντας μαζί τις παραστάσεις 6.1 και 6.3 ως προς το n, βρίσκουν μια αναλυτική έκφραση για τα μηχανικά χαρακτηριστικά του κινητήρα n = F (M). Η γραφική του αναπαράσταση φαίνεται στο Σχήμα 6.1.
Ρύζι. 6.1. Μηχανικά χαρακτηριστικά κινητήρα DC μικτής διέγερσης
Το σημείο Α αντιστοιχεί στον κινητήρα στο ρελαντί με ταχύτητα περιστροφής n o. Με την αύξηση του μηχανικού φορτίου, η ταχύτητα περιστροφής μειώνεται και η ροπή αυξάνεται, φτάνοντας την ονομαστική τιμή M H στο σημείο Β. Στο τμήμα BC, ο κινητήρας λειτουργεί με υπερφόρτωση. Το ρεύμα Iya υπερβαίνει την ονομαστική τιμή, γεγονός που οδηγεί σε ταχεία θέρμανση των περιελίξεων του οπλισμού και του OBC και ο σπινθήρας στον συλλέκτη αυξάνεται. Η μέγιστη ροπή M max (σημείο C) περιορίζεται από τις συνθήκες λειτουργίας του συλλέκτη και τη μηχανική αντοχή του κινητήρα.
Συνεχίζοντας το μηχανικό χαρακτηριστικό μέχρι να τέμνεται στο σημείο D "με τον άξονα ροπής, θα λάβαμε την τιμή της ροπής εκκίνησης όταν ο κινητήρας συνδεθεί απευθείας στο δίκτυο. Το EMF E είναι μηδέν και το ρεύμα στο κύκλωμα οπλισμού, σύμφωνα με τύπος 6.3, αυξάνεται απότομα.
Για να μειωθεί το ρεύμα εκκίνησης, ένας ρεοστάτης εκκίνησης Rx (Εικ. 6.2) με αντίσταση συνδέεται σε σειρά στο κύκλωμα οπλισμού:
Rx = U H / (1,3...2,5) ×I Ya.N. - (R I - R obc), (6.4)
όπου U h - ονομαστική τάση του δικτύου.
I Ya.N. - ονομαστικό ρεύμα οπλισμού.
Μείωση ρεύματος οπλισμού σε (1,3...2,5)×I Ya.N. παρέχει επαρκή αρχική ροπή εκκίνησης Mn (σημείο D). Καθώς ο κινητήρας επιταχύνει, η αντίσταση Rx μειώνεται στο μηδέν, διατηρώντας μια περίπου σταθερή τιμή Mp (τμήμα SD).
Ο ρεοστάτης R B στο κύκλωμα της περιέλιξης παράλληλης διέγερσης (Εικ. 6.2) σας επιτρέπει να ρυθμίσετε το μέγεθος της μαγνητικής ροής Ф (τύπος 6.1). Πριν από την εκκίνηση του κινητήρα, αφαιρείται εντελώς για να επιτευχθεί η απαιτούμενη ροπή εκκίνησης σε ένα ελάχιστο ρεύμα οπλισμού.
Χρησιμοποιώντας τον τύπο 6.3, προσδιορίζουμε τις στροφές του κινητήρα
n = (U - I I (R I + R obc + Rx)) / (С Ф), (6,5)
όπου τα R I, R obc και C είναι σταθερές και τα U, I I και F μπορούν να αλλάξουν. Από αυτό ακολουθούν τρεις πιθανοί τρόποι ελέγχου των στροφών του κινητήρα:
Αλλαγή στο μέγεθος της τάσης εισόδου.
Αλλάζοντας την τιμή του ρεύματος του οπλισμού χρησιμοποιώντας τον ρυθμιστικό ρεοστάτη Rx, ο οποίος, σε αντίθεση με τον αρχικό, υπολογίζεται για συνεχή λειτουργία.
Μεταβάλλοντας το μέγεθος της μαγνητικής ροής διέγερσης F, το οποίο είναι ανάλογο με το ρεύμα στις περιελίξεις OVSH και OVSS. Σε παράλληλη περιέλιξη, μπορεί να ρυθμιστεί με ρεοστάτη R b. Η αντίσταση R b λαμβάνεται ανάλογα με τα απαιτούμενα όρια ελέγχου ταχύτητας R B =(2...5) R obsh.
Η πινακίδα τεχνικών χαρακτηριστικών του κινητήρα υποδεικνύει την ονομαστική ταχύτητα, η οποία αντιστοιχεί στην ονομαστική ισχύ στον άξονα του κινητήρα στην ονομαστική τάση δικτύου και τις αντιστάσεις εξόδου των ροστατών R X και R B .
Οποιοσδήποτε ηλεκτροκινητήρας έχει σχεδιαστεί για να εκτελεί μηχανική εργασία λόγω της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας που εφαρμόζεται σε αυτόν, η οποία μετατρέπεται, κατά κανόνα, σε περιστροφική κίνηση. Αν και στην τεχνολογία υπάρχουν μοντέλα που δημιουργούν αμέσως τη μεταφραστική κίνηση του σώματος εργασίας. Ονομάζονται γραμμικοί κινητήρες.
Σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις, οι ηλεκτροκινητήρες κινούν διάφορα μηχανήματα και μηχανικές συσκευές που εμπλέκονται στην τεχνολογική διαδικασία παραγωγής.
Μέσα σε οικιακές συσκευές, ηλεκτρικοί κινητήρες τροφοδοτούν πλυντήρια ρούχων, ηλεκτρικές σκούπες, υπολογιστές, πιστολάκια μαλλιών, παιδικά παιχνίδια, ρολόγια και πολλές άλλες συσκευές.
Βασικές φυσικές διεργασίες και αρχή λειτουργίας
Τα ηλεκτρικά φορτία που κινούνται στο εσωτερικό, τα οποία ονομάζονται ηλεκτρικό ρεύμα, επηρεάζονται πάντα από μια μηχανική δύναμη που τείνει να εκτρέψει την κατεύθυνσή τους σε ένα επίπεδο που βρίσκεται κάθετο στον προσανατολισμό των μαγνητικών γραμμών δύναμης. Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από έναν μεταλλικό αγωγό ή ένα πηνίο κατασκευασμένο από αυτόν, αυτή η δύναμη τείνει να μετακινεί / περιστρέφει κάθε αγωγό που μεταφέρει ρεύμα και ολόκληρη την περιέλιξη στο σύνολό της.
Η παρακάτω εικόνα δείχνει ένα μεταλλικό πλαίσιο μέσα από το οποίο ρέει ρεύμα. Το μαγνητικό πεδίο που εφαρμόζεται σε αυτό δημιουργεί μια δύναμη F για κάθε κλάδο του πλαισίου, η οποία δημιουργεί μια περιστροφική κίνηση.
Αυτή η ιδιότητα της αλληλεπίδρασης ηλεκτρικής και μαγνητικής ενέργειας που βασίζεται στη δημιουργία ηλεκτροκινητικής δύναμης σε ένα κλειστό κύκλωμα μεταφοράς ρεύματος τίθεται σε λειτουργία οποιουδήποτε ηλεκτροκινητήρα. Ο σχεδιασμός του περιλαμβάνει:
τύλιγμα μέσα από το οποίο ρέει ηλεκτρικό ρεύμα. Τοποθετείται σε ειδικό πυρήνα-άγκυρα και στερεώνεται σε ρουλεμάν περιστροφής για να μειώσει την αντίδραση των δυνάμεων τριβής. Αυτό το σχέδιο ονομάζεται ρότορας.
ένας στάτορας που δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο που, με τις γραμμές δύναμης του, διαπερνά τα ηλεκτρικά φορτία που περνούν από τις στροφές των περιελίξεων του ρότορα.
περίβλημα για τον στάτορα. Μέσα στο περίβλημα κατασκευάζονται ειδικές υποδοχές προσγείωσης, στο εσωτερικό των οποίων είναι τοποθετημένοι οι εξωτερικοί κλωβοί των ρουλεμάν του ρότορα.
Απλοποιημένο, ο σχεδιασμός του απλούστερου ηλεκτροκινητήρα μπορεί να αναπαρασταθεί με μια εικόνα της ακόλουθης μορφής.
Όταν ο ρότορας περιστρέφεται, δημιουργείται μια ροπή, η ισχύς της οποίας εξαρτάται από τη συνολική σχεδίαση της συσκευής, το μέγεθος της εφαρμοζόμενης ηλεκτρικής ενέργειας και τις απώλειές της κατά τους μετασχηματισμούς.
Η τιμή της μέγιστης δυνατής ροπής του κινητήρα είναι πάντα μικρότερη από την ηλεκτρική ενέργεια που εφαρμόζεται σε αυτόν. Χαρακτηρίζεται από την τιμή του συντελεστή απόδοσης.
Τύποι ηλεκτροκινητήρων
Ανάλογα με τον τύπο του ρεύματος που διαρρέει τις περιελίξεις, χωρίζονται σε κινητήρες συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος. Κάθε μία από αυτές τις δύο ομάδες έχει μεγάλο αριθμό τροποποιήσεων χρησιμοποιώντας διαφορετικές τεχνολογικές διαδικασίες.
κινητήρες συνεχούς ρεύματος
Έχουν μαγνητικό πεδίο στάτορα που δημιουργείται από μόνιμα σταθερούς ή ειδικούς ηλεκτρομαγνήτες με περιελίξεις διέγερσης. Η περιέλιξη του οπλισμού είναι άκαμπτα τοποθετημένη στον άξονα, ο οποίος είναι στερεωμένος σε ρουλεμάν και μπορεί να περιστρέφεται ελεύθερα γύρω από τον άξονά του.
Η κύρια συσκευή ενός τέτοιου κινητήρα φαίνεται στο σχήμα.
Στον πυρήνα του οπλισμού από σιδηρομαγνητικά υλικά υπάρχει μια περιέλιξη που αποτελείται από δύο μέρη συνδεδεμένα σε σειρά, τα οποία στο ένα άκρο συνδέονται με αγώγιμες πλάκες συλλέκτη και στο άλλο άκρο εναλλάσσονται μεταξύ τους. Δύο βούρτσες γραφίτη βρίσκονται στα διαμετρικά αντίθετα άκρα του οπλισμού και πιέζονται στα μαξιλαράκια επαφής των πλακών συλλέκτη.
Ένα θετικό δυναμικό μιας πηγής σταθερού ρεύματος παρέχεται στην κάτω βούρτσα του σχεδίου και αρνητικό στην επάνω βούρτσα. Η κατεύθυνση του ρεύματος που διαρρέει την περιέλιξη φαίνεται από το διακεκομμένο κόκκινο βέλος.
Το ρεύμα προκαλεί το μαγνητικό πεδίο του βόρειου πόλου στο κάτω αριστερό μέρος του οπλισμού και του νότιου πόλου στο πάνω δεξιά (κανόνας gimlet). Αυτό οδηγεί σε απώθηση των πόλων του ρότορα από τους ακίνητους με το ίδιο όνομα και έλξη σε αντίθετους πόλους στον στάτορα. Ως αποτέλεσμα της ασκούμενης δύναμης, εμφανίζεται μια περιστροφική κίνηση, η κατεύθυνση της οποίας υποδεικνύεται από το καφέ βέλος.
Με περαιτέρω περιστροφή του οπλισμού, με αδράνεια, οι πόλοι περνούν σε άλλες πλάκες συλλέκτη. Η φορά του ρεύματος σε αυτά αντιστρέφεται. Ο ρότορας συνεχίζει την περαιτέρω περιστροφή.
Ο απλός σχεδιασμός μιας τέτοιας συσκευής συλλέκτη οδηγεί σε μεγάλες απώλειες ηλεκτρικής ενέργειας. Τέτοιοι κινητήρες λειτουργούν σε συσκευές απλού σχεδιασμού ή παιχνίδια για παιδιά.
Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος που συμμετέχουν στη διαδικασία παραγωγής έχουν πιο περίπλοκο σχεδιασμό:
η περιέλιξη δεν χωρίζεται σε δύο, αλλά σε περισσότερα μέρη.
κάθε τμήμα περιέλιξης είναι τοποθετημένο στον δικό του πόλο.
η συσκευή συλλέκτη είναι κατασκευασμένη με ορισμένο αριθμό μαξιλαριών επαφής ανάλογα με τον αριθμό των τμημάτων περιέλιξης.
Ως αποτέλεσμα αυτού, δημιουργείται μια ομαλή σύνδεση κάθε πόλου μέσω των πλακών επαφής του με τις βούρτσες και την πηγή ρεύματος και μειώνονται οι απώλειες ισχύος.
Η συσκευή μιας τέτοιας άγκυρας φαίνεται στην εικόνα.
Με ηλεκτρικούς κινητήρες συνεχούς ρεύματος, η φορά περιστροφής του ρότορα μπορεί να αντιστραφεί. Για να γίνει αυτό, αρκεί να αλλάξετε την κίνηση του ρεύματος στην περιέλιξη στο αντίθετο αλλάζοντας την πολικότητα στην πηγή.
κινητήρες AC
Διαφέρουν από τα προηγούμενα σχέδια στο ότι το ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει στην περιέλιξή τους περιγράφεται με περιοδική αλλαγή της κατεύθυνσής του (σήμα). Για την τροφοδοσία τους, η τάση τροφοδοτείται από γεννήτριες με τιμή μεταβλητής προσήμου.
Ο στάτορας τέτοιων κινητήρων κατασκευάζεται από ένα μαγνητικό κύκλωμα. Είναι κατασκευασμένο από σιδηρομαγνητικές πλάκες με αυλακώσεις στις οποίες τοποθετούνται στροφές περιέλιξης με διαμόρφωση πλαισίου (πηνίο).
Σύγχρονοι κινητήρες
Η παρακάτω εικόνα δείχνει αρχή λειτουργίας μονοφασικού κινητήρα ACμε σύγχρονη περιστροφή των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων του ρότορα και του στάτορα.
Στις αυλακώσεις του μαγνητικού κυκλώματος του στάτορα, σε διαμετρικά αντίθετα άκρα, τοποθετούνται αγωγοί περιελίξεως, που απεικονίζονται σχηματικά με τη μορφή πλαισίου μέσω του οποίου ρέει εναλλασσόμενο ρεύμα.
Εξετάστε την περίπτωση για τη χρονική στιγμή που αντιστοιχεί στο πέρασμα του θετικού μέρους του ημικύματος του.
Στους κλωβούς ρουλεμάν περιστρέφεται ελεύθερα ένας ρότορας με ενσωματωμένο μόνιμο μαγνήτη, στον οποίο προφέρονται οι βόρειοι πόλοι «Ν στόμιο» και οι νότιοι πόλοι «Στόμος». Όταν ένα θετικό μισό κύμα ρεύματος διαρρέει την περιέλιξη του στάτη, δημιουργείται ένα μαγνητικό πεδίο με πόλους "S st" και "N st".
Δυνάμεις αλληλεπίδρασης προκύπτουν μεταξύ των μαγνητικών πεδίων του ρότορα και του στάτορα (οι πόλοι με το ίδιο όνομα απωθούν και οι αντίθετοι πόλοι έλκονται), οι οποίες τείνουν να μετατρέψουν τον οπλισμό του ηλεκτροκινητήρα από μια αυθαίρετη θέση στην τελική, όταν Οι αντίθετοι πόλοι είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά μεταξύ τους.
Αν εξετάσουμε την ίδια περίπτωση, αλλά για τη χρονική στιγμή που το αντίστροφο - αρνητικό μισό κύμα ρεύματος διαρρέει τον αγωγό του πλαισίου, τότε η περιστροφή του οπλισμού θα συμβεί προς την αντίθετη κατεύθυνση.
Για να δοθεί συνεχής κίνηση στον ρότορα στον στάτορα, δεν γίνεται μια περιέλιξη πλαισίου, αλλά ένας ορισμένος αριθμός από αυτούς, έτσι ώστε καθένα από αυτά να τροφοδοτείται από μια ξεχωριστή πηγή ρεύματος.
Η αρχή λειτουργίας ενός τριφασικού κινητήρα AC με σύγχρονη περιστροφήΤα ηλεκτρομαγνητικά πεδία του ρότορα και του στάτορα φαίνονται στην παρακάτω εικόνα.
Σε αυτό το σχέδιο, τρεις περιελίξεις A, B και C είναι τοποθετημένες μέσα στο μαγνητικό κύκλωμα του στάτη, μετατοπισμένες σε γωνίες 120 μοιρών μεταξύ τους. Η περιέλιξη Α επισημαίνεται με κίτρινο, η περιέλιξη Β είναι πράσινη και η περιέλιξη C είναι κόκκινη. Κάθε περιέλιξη γίνεται με τα ίδια πλαίσια όπως στην προηγούμενη περίπτωση.
Στην εικόνα, για κάθε περίπτωση, το ρεύμα διέρχεται μόνο από μία περιέλιξη προς τα εμπρός ή προς τα πίσω, η οποία υποδεικνύεται από τα σημάδια "+" και "-".
Με το πέρασμα ενός θετικού μισού κύματος στη φάση Α προς τα εμπρός, ο άξονας του πεδίου του ρότορα παίρνει οριζόντια θέση, επειδή οι μαγνητικοί πόλοι του στάτορα σχηματίζονται σε αυτό το επίπεδο και έλκουν τον κινούμενο οπλισμό. Οι απέναντι πόλοι του ρότορα τείνουν να πλησιάζουν τους πόλους του στάτορα.
Όταν το θετικό μισό κύμα πάει στη φάση C, ο οπλισμός θα περιστραφεί κατά 60 μοίρες δεξιόστροφα. Αφού εφαρμοστεί ρεύμα στη φάση Β, θα συμβεί παρόμοια περιστροφή του οπλισμού. Κάθε επόμενη ροή ρεύματος στην επόμενη φάση της επόμενης περιέλιξης θα περιστρέφει τον ρότορα.
Εάν μια τάση ενός τριφασικού δικτύου μετατοπιστεί κατά γωνία 120 μοιρών σε κάθε περιέλιξη, τότε θα κυκλοφορούν εναλλασσόμενα ρεύματα, τα οποία θα ξετυλίξουν τον οπλισμό και θα δημιουργήσουν τη σύγχρονη περιστροφή του με το παρεχόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.
Ο ίδιος μηχανικός σχεδιασμός έχει εφαρμοστεί με επιτυχία στο τριφασικός βηματικός κινητήρας. Μόνο σε κάθε περιέλιξη, με τη βοήθεια ελέγχου, παρέχονται και αφαιρούνται παλμοί DC σύμφωνα με τον αλγόριθμο που περιγράφεται παραπάνω.
Η εκτόξευση τους ξεκινά μια περιστροφική κίνηση και ο τερματισμός σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή εξασφαλίζει μια δοσομετρική περιστροφή του άξονα και μια στάση σε μια προγραμματισμένη γωνία για την εκτέλεση ορισμένων τεχνολογικών λειτουργιών.
Και στα δύο περιγραφόμενα τριφασικά συστήματα, είναι δυνατή η αλλαγή της φοράς περιστροφής του οπλισμού. Για να το κάνετε αυτό, απλά πρέπει να αλλάξετε την ακολουθία φάσεων "A" - "B" - "C" σε μια άλλη, για παράδειγμα, "A" - "C" - "B".
Η ταχύτητα περιστροφής του ρότορα ρυθμίζεται από τη διάρκεια της περιόδου Τ. Η μείωσή της οδηγεί σε επιτάχυνση της περιστροφής. Το πλάτος του ρεύματος στη φάση εξαρτάται από την εσωτερική αντίσταση της περιέλιξης και την τιμή της τάσης που εφαρμόζεται σε αυτήν. Καθορίζει την ποσότητα της ροπής και της ισχύος του ηλεκτροκινητήρα.
Ασύγχρονοι κινητήρες
Αυτά τα σχέδια κινητήρων έχουν το ίδιο μαγνητικό κύκλωμα στάτορα με περιελίξεις όπως και στα μονοφασικά και τριφασικά μοντέλα που εξετάστηκαν προηγουμένως. Πήραν το όνομά τους λόγω της μη σύγχρονης περιστροφής των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων του οπλισμού και του στάτη. Αυτό έγινε με τη βελτίωση της διαμόρφωσης του ρότορα.
Ο πυρήνας του είναι κατασκευασμένος από πλάκες ηλεκτρικών ποιοτήτων χάλυβα με αυλακώσεις. Σε αυτά τοποθετούνται αγωγοί αλουμινίου ή χαλκού, οι οποίοι κλείνουν με αγώγιμους δακτυλίους στα άκρα του οπλισμού.
Όταν εφαρμόζεται τάση στις περιελίξεις του στάτη, προκαλείται ηλεκτρικό ρεύμα στην περιέλιξη του ρότορα από ηλεκτροκινητική δύναμη και δημιουργείται μαγνητικό πεδίο του οπλισμού. Όταν αυτά τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία αλληλεπιδρούν, αρχίζει η περιστροφή του άξονα του κινητήρα.
Με αυτόν τον σχεδιασμό, η κίνηση του ρότορα είναι δυνατή μόνο αφού προκύψει ένα περιστρεφόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο στον στάτορα και συνεχίζει σε ασύγχρονο τρόπο λειτουργίας μαζί του.
Οι ασύγχρονοι κινητήρες είναι απλούστεροι στο σχεδιασμό. Ως εκ τούτου, είναι φθηνότερα και χρησιμοποιούνται ευρέως σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις και οικιακές συσκευές.
Γραμμικοί κινητήρες
Πολλά σώματα εργασίας βιομηχανικών μηχανισμών εκτελούν παλινδρομική ή μεταφορική κίνηση σε ένα επίπεδο, η οποία είναι απαραίτητη για τη λειτουργία μηχανών επεξεργασίας μετάλλων, οχημάτων, χτυπήματα σφυριού κατά την οδήγηση πασσάλων ...
Η μετακίνηση ενός τέτοιου σώματος εργασίας με τη βοήθεια κιβωτίων ταχυτήτων, σφαιρικών βιδών, ιμάντων κίνησης και παρόμοιων μηχανικών συσκευών από έναν περιστροφικό ηλεκτροκινητήρα περιπλέκει τη σχεδίαση. Η σύγχρονη τεχνική λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι η λειτουργία ενός γραμμικού ηλεκτροκινητήρα.
Ο στάτορας και ο ρότορας του είναι επιμήκεις με τη μορφή λωρίδων και δεν διπλώνονται σε δακτυλίους, όπως στους περιστροφικούς ηλεκτροκινητήρες.
Η αρχή της λειτουργίας είναι η μετάδοση μιας παλινδρομικής γραμμικής κίνησης στον δρομέα-ρότορα λόγω της μεταφοράς ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας από έναν σταθερό στάτορα με ανοιχτό μαγνητικό κύκλωμα ορισμένου μήκους. Μέσα σε αυτό, ενεργοποιώντας το ρεύμα με τη σειρά του, δημιουργείται ένα κινούμενο μαγνητικό πεδίο.
Δρα στην περιέλιξη του οπλισμού με τον συλλέκτη. Οι δυνάμεις που προκύπτουν σε έναν τέτοιο κινητήρα κινούν τον ρότορα μόνο σε γραμμική κατεύθυνση κατά μήκος των στοιχείων οδήγησης.
Οι γραμμικοί κινητήρες είναι σχεδιασμένοι να λειτουργούν με συνεχές ή εναλλασσόμενο ρεύμα και μπορούν να λειτουργούν σε σύγχρονη ή ασύγχρονη λειτουργία.
Τα μειονεκτήματα των γραμμικών κινητήρων είναι:
πολυπλοκότητα τεχνολογίας·
υψηλή τιμή;
χαμηλή ενεργειακή απόδοση.