Studij elektromotornog istosmjernog laboratorija. Razumijemo principe rada elektromotora: prednosti i nedostatke različitih vrsta. Kako radi električni motor
proučiti uređaj, princip rada, karakteristike istosmjernog motora;
steći praktične vještine pokretanja, rada i zaustavljanja istosmjernog elektromotora;
eksperimentalno istražiti teorijske podatke o karakteristikama istosmjernog motora.
Osnovne teorijske odredbe
DC električni motor je električni stroj dizajniran za pretvaranje električne energije u mehaničku energiju.
Uređaj istosmjernog motora ne razlikuje se od istosmjernog generatora. Ova okolnost čini istosmjerne električne strojeve reverzibilnima, odnosno omogućuje im upotrebu i u generatorskim i u motornim načinima. Strukturno, istosmjerni motor ima fiksne i pomične elemente, koji su prikazani na sl. jedan.
Fiksni dio - stator 1 (okvir) izrađen je od lijevanog čelika, sastoji se od glavna 2 i dodatna 3 pola s uzbudnim namotima 4 i 5 te traverza kistom s četkama. Stator obavlja funkciju magnetskog kruga. Uz pomoć glavnih polova stvara se magnetsko polje koje je konstantno u vremenu i nepokretno u prostoru. Dodatni stupovi se postavljaju između glavnih polova i poboljšavaju uvjete preklapanja.
Pomični dio istosmjernog motora je rotor 6 (armatura) koji je postavljen na rotirajuću osovinu. Armatura također igra ulogu magnetskog kruga. Izrađen je od tankih, međusobno međusobno električno izoliranih, tankih limova elektro čelika s visokim udjelom silicija, što smanjuje gubitke snage. Namoti 7 su utisnuti u utore armature, čiji su vodovi spojeni na kolektorske ploče 8, postavljene na istu osovinu motora (vidi sliku 1).
Razmotrimo princip rada istosmjernog motora. Priključivanje konstantnog napona na stezaljke električnog stroja uzrokuje istovremenu pojavu u namotima uzbude (stator) i strujnim namotima armature (slika 2). Kao rezultat interakcije struje armature s magnetskim tokom stvorenim namotom polja, u statoru nastaje sila f, određen Amperovim zakonom . Smjer ove sile određen je pravilom lijeve ruke (slika 2) prema kojem je orijentirana okomito na oba struja i(u namotu armature), te na vektor magnetske indukcije V(nastaje uzbudnim namotom). Kao rezultat, par sila djeluje na rotor (slika 2). Sila djeluje na gornji dio rotora desno, na donji dio - lijevo. Ovaj par sila stvara zakretni moment, pod čijim se djelovanjem armatura pokreće u rotaciju. Ispada da je veličina elektromagnetskog momenta u nastajanju jednaka
M = c m ja Ja sam F,
gdje S m - koeficijent koji ovisi o izvedbi namota armature i broju polova elektromotora; F- magnetski tok jednog para glavnih polova elektromotora; ja Ja sam - struja armature motora. Kako slijedi iz sl. 2, rotacija namota armature je popraćena istodobnom promjenom polariteta na kolektorskim pločama. Smjer struje u zavojima namota armature mijenja se u suprotan, ali magnetski tok uzbudnih namota zadržava isti smjer, zbog čega smjer sila ostaje nepromijenjen. f, a time i zakretni moment.
Rotacija armature u magnetskom polju dovodi do pojave EMF-a u njenom namotu, čiji je smjer već određen pravilom desne ruke. Kao rezultat toga, za onu prikazanu na Sl. 2 konfiguracije polja i sila u namotu armature, pojavit će se indukcijska struja, usmjerena suprotno od glavne struje. Stoga se EMF u nastajanju naziva protu-EMF. Njegova vrijednost je
E = S e nF,
gdje n- frekvencija vrtnje armature elektromotora; S e je koeficijent koji ovisi o strukturnim elementima stroja. Ovaj EMF degradira performanse motora.
Struja u armaturi stvara magnetsko polje koje utječe na magnetsko polje glavnih polova (statora), što se naziva reakcija armature. U stanju mirovanja stroja, magnetsko polje stvaraju samo glavni polovi. Ovo polje je simetrično u odnosu na osi ovih polova i koaksijalno s njima. Pri spajanju na motor opterećenja, uslijed struje u namotu armature, stvara se magnetsko polje - polje armature. Os ovog polja bit će okomita na os glavnih polova. Budući da raspodjela struje u vodičima armature ostaje nepromijenjena tijekom rotacije armature, polje armature ostaje nepomično u prostoru. Dodavanje ovog polja polju glavnih polova daje rezultirajuće polje koje se odvija pod kutom protiv smjera rotacije armature. Kao rezultat toga, zakretni moment se smanjuje, jer dio vodiča ulazi u zonu pola suprotnog polariteta i stvara kočni moment. U tom slučaju četke iskre i kolektor gori, nastaje uzdužno demagnetizirajuće polje.
Kako bi se smanjio utjecaj reakcije armature na rad stroja, u njega se ugrađuju dodatni stupovi. Namoti takvih polova spojeni su u seriju s glavnim namotom armature, ali promjena smjera namota u njima uzrokuje pojavu magnetskog polja usmjerenog protiv magnetskog polja armature.
Za promjenu smjera vrtnje istosmjernog motora potrebno je promijeniti polaritet napona koji se dovodi u armaturu ili namot polja.
Ovisno o načinu uključivanja uzbudnog namota razlikuju se istosmjerni motori s paralelnom, serijskom i mješovitom uzbudom.
Za motore s paralelnom uzbudom, namot je projektiran za puni napon opskrbne mreže i spojen je paralelno s krugom armature (slika 3.).
Motor sa serijskom pobudom ima namot polja koji je serijski spojen s armaturom, pa je ovaj namot predviđen za punu struju armature (slika 4.).
Motori s mješovitom uzbudom imaju dva namota, jedan je spojen paralelno, drugi je spojen serijski s armaturom (slika 5).
Riža. 3 sl. 4
Prilikom pokretanja istosmjernih motora (bez obzira na način uzbude) izravnim spajanjem na opskrbnu mrežu nastaju značajne startne struje koje mogu dovesti do njihovog kvara. To se događa kao rezultat oslobađanja značajne količine topline u namotu armature i naknadnog kršenja njegove izolacije. Stoga se pokretanje istosmjernih motora provodi posebnim uređajima za pokretanje. U većini slučajeva u te se svrhe koristi najjednostavniji uređaj za pokretanje - startni reostat. Na primjeru istosmjernog motora s paralelnom uzbudom prikazan je postupak pokretanja istosmjernog motora s startnim reostatom.
Na temelju jednadžbe sastavljene u skladu s drugim Kirchhoffovim zakonom za lijevu stranu električnog kruga (vidi sliku 3), početni reostat se potpuno uklanja ( R start = 0), struja armature
,
gdje U- napon doveden na elektromotor; R i je otpor namota armature.
U početnom trenutku pokretanja elektromotora, brzina armature n= 0, stoga će protuelektromotorna sila inducirana u namotu armature, u skladu s ranije dobivenim izrazom, također biti jednaka nuli ( E= 0).
Otpor namota armature R ja sam sasvim mala. Kako bi se ograničila neprihvatljivo velika struja u krugu armature tijekom pokretanja, startni reostat se uključuje serijski s armaturom, bez obzira na način uzbude motora (otpor pokretanja R početak). U ovom slučaju, početna struja armature
.
Otpor startnog reostata R početak se računa za rad samo za vrijeme početka i odabire se na način da početna struja armature motora ne prelazi dopuštenu vrijednost ( ja i, početak 2 ja ja, nom). Kako se motor ubrzava, EMF induciran u namotu armature zbog povećanja njegove frekvencije rotacije n povećava ( E=S e nF). Kao rezultat toga, struja armature, ceteris paribus, opada. U ovom slučaju, otpor startnog reostata R početak kako se kotva motora ubrzava, ona se mora postupno smanjivati. Nakon završetka ubrzanja motora na nazivnu vrijednost brzine kotve, EMF raste toliko da se startni otpor može smanjiti na nulu, bez opasnosti od značajnog povećanja struje armature.
Dakle, početni otpor R pokretanje u krugu armature potrebno je samo pri pokretanju. Tijekom normalnog rada elektromotor mora biti isključen, prvo, jer je predviđen za kratkotrajni rad tijekom pokretanja, a drugo, ako postoji otpor pokretanja, gubici toplinske snage jednaki su R početak ja 2 I, značajno smanjujući učinkovitost elektromotora.
.
Uzimajući u obzir izraz za EMF ( E=S e nF), upisujući rezultirajuću formulu za frekvenciju vrtnje, dobivamo jednadžbu za frekvencijsku (brzinsku) karakteristiku elektromotora n(ja Ja sam):
.
Iz toga slijedi da u nedostatku opterećenja na osovini i struji armature ja Ja sam = 0 brzina vrtnje elektromotora pri zadanoj vrijednosti napona napajanja
.
Brzina motora n 0 je idealna brzina u praznom hodu. Osim parametara elektromotora, ovisi i o vrijednosti ulaznog napona i magnetskog toka. Sa smanjenjem magnetskog toka, pod jednakim uvjetima, povećava se brzina vrtnje idealne brzine u praznom hodu. Stoga, u slučaju otvorenog kruga uzbudnog namota, kada uzbudna struja postane nula ( ja c = 0), magnetski tok motora se smanjuje na vrijednost jednaku vrijednosti preostalog magnetskog toka F odmor. U tom slučaju, motor "ide u prekomjerni pogon", razvijajući brzinu mnogo veću od nominalne, što predstavlja određenu opasnost i za motor i za osoblje za održavanje.
Frekvencijska (brzinska) karakteristika istosmjernog motora s paralelnom pobudom n(ja i) pri konstantnoj vrijednosti magnetskog toka F=konst i stalnu vrijednost ulaznog napona U = konst izgleda kao ravna linija (slika 6).
Izražavanje u jednadžbama frekvencijskih karakteristika struje armature kroz elektromagnetski moment motora M =S m ja Ja sam F, dobivamo jednadžbu mehaničke karakteristike, tj. ovisnosti n(M) na U = konst za motore s paralelnom uzbudom:
.
Zanemarujući utjecaj reakcije armature u procesu promjene opterećenja, moguće je prihvatiti elektromagnetski moment motora kao proporcionalan struji armature. Stoga mehaničke karakteristike istosmjernih motora imaju isti oblik kao i odgovarajuće frekvencijske karakteristike. Shunt motor ima krutu mehaničku karakteristiku (slika 7). Iz ove karakteristike može se vidjeti da se njegova brzina vrtnje neznatno smanjuje s povećanjem momenta opterećenja, budući da uzbudna struja kada je uzbudni namot spojen paralelno i, sukladno tome, magnetski tok motora ostaje praktički nepromijenjen, a otpor armature krug je relativno mali.
Karakteristike rada istosmjernog motora s paralelnom pobudom prikazane su na sl. 8. Iz ovih karakteristika se vidi da je brzina vrtnje n motora s paralelnom uzbudom s povećanjem opterećenja lagano opada. Ovisnost korisnog momenta na osovini motora o snazi R 2 je gotovo ravna linija, budući da je moment ovog motora proporcionalan opterećenju na osovini: M=kP 2 / n. Zakrivljenost ove ovisnosti objašnjava se blagim smanjenjem brzine vrtnje s povećanjem opterećenja.
Na R 2 = 0 struja koju troši elektromotor jednaka je struji praznog hoda. S povećanjem snage, struja armature raste približno prema istoj ovisnosti kao i moment opterećenja na osovini, budući da pod uvjetom F=konst struja armature je proporcionalna momentu opterećenja. Učinkovitost elektromotora definira se kao omjer korisne snage na osovini i snage potrošene iz mreže:
,
gdje R 2 - korisna snaga osovine; R 1 =korisničko sučelje- snaga koju troši elektromotor iz opskrbne mreže; R ey = ja 2 i R i - gubici električne energije u krugu armature, R ev = korisničko sučelje u, = ja 2 in R v - gubici električne energije u krugu uzbude; R krzno - mehanički gubitak snage; R m - gubici snage zbog histereze i vrtložnih struja.
Uz konstantan napon napajanja i konstantan magnetski tok, u procesu promjene vrijednosti otpora armaturnog kruga, može se dobiti obitelj mehaničkih karakteristika, na primjer, za elektromotor s paralelnom uzbudom (slika 9).
Prednost razmatrane metode upravljanja leži u njenoj relativnoj jednostavnosti i mogućnosti postizanja glatke promjene brzine vrtnje u širokom rasponu (od nule do nazivne vrijednosti frekvencije). n ne m). Nedostaci ove metode uključuju činjenicu da postoje značajni gubici snage u dodatnom otporu, koji se povećavaju sa smanjenjem brzine, kao i potreba za korištenjem dodatne opreme za upravljanje. Osim toga, ova metoda ne dopušta povećanje brzine motora od njegove nominalne vrijednosti.
Promjena brzine vrtnje istosmjernog motora može se postići i kao rezultat promjene vrijednosti magnetskog toka uzbude. Pri promjeni magnetskog toka u skladu s jednadžbom frekvencijskog odziva za istosmjerne motore s paralelnom pobudom pri konstantnoj vrijednosti napona napajanja i konstantnoj vrijednosti otpora kruga armature može se dobiti obitelj mehaničkih karakteristika prikazanih na sl. . 10.
Nedostaci ove metode također bi trebali uključivati relativno mali raspon regulacije zbog prisutnosti ograničenja mehaničke čvrstoće i prebacivanja elektromotora. Prednost ove metode kontrole je njena jednostavnost. Kod motora s paralelnom pobudom to se postiže promjenom otpora regulacijskog reostata R R u krugu uzbude.
Kod istosmjernih motora sa serijskom uzbudom promjena magnetskog toka postiže se ranžiranjem uzbudnog namota s otporom odgovarajuće vrijednosti, ili kratkim spojem određenog broja zavoja uzbudnog namota.
Široku primjenu, osobito u elektromotornim pogonima izgrađenim prema sustavu generator-motor, dobio je način kontrole brzine promjenom napona na stezaljkama armature motora. Uz konstantan magnetski tok i otpor kruga armature, kao rezultat promjene napona armature, može se dobiti obitelj frekvencijskih karakteristika.
S promjenom ulaznog napona, idealan broj okretaja u praznom hodu n 0 u skladu s ranije danim izrazom, varira proporcionalno naponu. Budući da otpor kruga armature ostaje nepromijenjen, krutost obitelji mehaničkih karakteristika ne razlikuje se od krutosti prirodne mehaničke karakteristike pri U=U ne m.
Prednost razmatrane metode regulacije je širok raspon promjena brzine bez povećanja gubitaka snage. Nedostaci ove metode uključuju činjenicu da to zahtijeva izvor reguliranog napona, a to dovodi do povećanje težine, dimenzija i cijene instalacije.
Električni motor je električni uređaj za pretvaranje električne energije u mehaničku energiju. Danas se elektromotori široko koriste u industriji za pogon raznih strojeva i mehanizama. U kućanstvu se ugrađuju u perilicu rublja, hladnjak, sokovnik, procesor hrane, ventilatore, električne brijače itd. Pokreću se elektromotori i na njih spojeni mehanizmi.
U ovom članku govorit ću o najčešćim vrstama i principima rada AC elektromotora, koji se široko koriste u garaži, kućanstvu ili radionici.
Kako radi električni motor
Motor radi na temelju učinka otkrio Michael Faraday 1821. Otkrio je da kada električna struja u vodiču stupi u interakciju s magnetom, može doći do kontinuirane rotacije.
Ako je u jednoličnom magnetskom polju postavite okvir u okomiti položaj i propuštajte struju kroz njega, tada će se oko vodiča pojaviti elektromagnetno polje koje će komunicirati s polovima magneta. Okvir će se od jednog odbijati, a od drugog privlačiti.
Kao rezultat toga, okvir će se okrenuti u vodoravni položaj, u kojem će biti nulti učinak magnetskog polja na vodič. Da bi se rotacija nastavila, potrebno je dodati još jedan okvir pod kutom ili promijeniti smjer struje u okviru u pravo vrijeme.
Na slici, to je učinjeno pomoću dva poluprstena, na koja se spajaju kontaktne ploče iz baterije. Kao rezultat toga, nakon završenog pola okreta, polaritet se mijenja i rotacija se nastavlja.
U modernim elektromotorima umjesto trajnih magneta za stvaranje magnetskog polja koriste se induktori ili elektromagneti. Ako rastavite bilo koji motor, vidjet ćete namotane zavojnice žice premazane izolacijskim lakom. Ovi zavoji su elektromagnet ili, kako ih još nazivaju, uzbudni namot.
Kod kuće trajni magneti se koriste u dječjim igračkama na baterije.
U drugim moćnijim motori koriste samo elektromagnete ili namote. Rotirajući dio kod njih naziva se rotor, a fiksni dio stator.
Vrste elektromotora
Danas postoji dosta elektromotora različitih izvedbi i tipova. Mogu se podijeliti prema vrsti napajanja:
- Naizmjenična struja rade izravno iz mreže.
- Istosmjerna struja koji rade na baterije, baterije, izvore napajanja ili druge istosmjerne izvore.
Po principu rada:
- Sinkroni, u kojem se nalaze namoti na rotoru i mehanizam četke za dovod električne struje do njih.
- Asinkroni, najjednostavniji i najčešći tip motora. Na rotoru nemaju četke i namote.
Sinkroni motor rotira sinkrono s magnetskim poljem koje ga rotira, dok se kod asinkronog motora rotor rotira sporije od rotirajućeg magnetskog polja u statoru.
Princip rada i uređaj asinkronog elektromotora
U asinkronom paketu motora, položeni su namoti statora (za 380 volti će ih biti 3), koji stvaraju rotirajuće magnetsko polje. Njihovi krajevi za spajanje izvode se na poseban terminalni blok. Namoti se hlade zahvaljujući ventilatoru postavljenom na osovinu na kraju motora.
Rotor, koji je jedno s vratilom, izrađen je od metalnih šipki koje su međusobno zatvorene s obje strane, zbog čega se naziva kratkospojnim.
Zahvaljujući ovom dizajnu, nema potrebe za čestim periodičnim održavanjem i zamjenom četkica za napajanje strujom, pouzdanost, izdržljivost i pouzdanost su uvelike povećani.
Obično, glavni uzrok neuspjeha asinkroni motor je trošenje ležajeva u kojima se osovina okreće.
Princip rada. Da bi asinkroni motor radio, potrebno je da se rotor rotira sporije od elektromagnetskog polja statora, uslijed čega se inducira EMF (nastaje električna struja) u rotoru. Ovdje je važan uvjet, kada bi se rotor vrtio istom brzinom kao i magnetsko polje, tada, prema zakonu elektromagnetske indukcije, u njemu ne bi bio induciran EMF i, prema tome, ne bi bilo rotacije. Ali u stvarnosti, zbog trenja ležaja ili opterećenja osovine, rotor će se uvijek okretati sporije.
Magnetski se polovi neprestano okreću u namotima motora, a smjer struje u rotoru se stalno mijenja. U jednom trenutku, na primjer, smjer struja u namotima statora i rotora je shematski prikazan u obliku križića (struja teče od nas) i točkica (struja do nas). Rotirajuće magnetsko polje prikazano je kao točkasta linija.
Na primjer, kako radi kružna pila. Ona ima najveću brzinu bez opterećenja. No, čim počnemo rezati ploču, brzina vrtnje se smanjuje, a istovremeno se rotor počinje rotirati sporije u odnosu na elektromagnetsko polje i, prema zakonima elektrotehnike, počinje se inducirati još veća vrijednost EMF-a. u tome. Struja koju troši motor raste i on počinje raditi punom snagom. Ako je opterećenje na osovini toliko veliko da se zaustavlja, može doći do oštećenja kaveznog rotora zbog maksimalne vrijednosti EMF inducirane u njemu. Zato je važno odabrati motor odgovarajuće snage. Ako uzmete više, tada će troškovi energije biti neopravdani.
Brzina rotora ovisi o broju polova. S 2 pola, brzina vrtnje će biti jednaka brzini rotacije magnetskog polja, jednaka maksimalno 3000 okretaja u sekundi pri mrežnoj frekvenciji od 50 Hz. Da biste smanjili brzinu za pola, potrebno je povećati broj polova u statoru na četiri.
Značajan nedostatak asinkronog motora je da se služe podešavanjem brzine vrtnje osovine samo promjenom frekvencije električne struje. I tako nije moguće postići konstantnu brzinu osovine.
Princip rada i uređaj sinkronog motora na izmjeničnu struju
Ovaj tip elektromotora koristi se u svakodnevnom životu gdje je potrebna konstantna brzina vrtnje, mogućnost njenog podešavanja, kao i ako je potrebna brzina vrtnje veća od 3000 o/min (to je maksimum za asinkroni).
Sinkroni motori se ugrađuju u električne alate, usisavače, perilice rublja itd.
U slučaju sinkronog Smješteni su namoti motora na izmjeničnu struju (3 na slici), koji su također namotani na rotor ili armaturu (1). Njihovi su zaključci zalemljeni na sektore kliznog prstena ili kolektora (5), koji se napajaju pomoću grafitnih četkica (4). Štoviše, zaključci su raspoređeni tako da četke uvijek dovode napon samo na jedan par.
Najčešći kvarovi kolektorski motori su:
- Nošenje četkica ili njihov slab kontakt zbog slabljenja stezne opruge.
- Zagađenje kolektora. Očistite alkoholom ili brusnim papirom bez nje.
- Istrošenost ležaja.
Princip rada. Zakretni moment u elektromotoru nastaje kao rezultat interakcije između struje armature i magnetskog toka u namotu polja. Promjenom smjera izmjenične struje istovremeno će se promijeniti i smjer magnetskog toka u tijelu i armaturi, zbog čega će rotacija uvijek biti u istom smjeru.
Laboratorij br. 9
Tema. Proučavanje istosmjernog motora.
Cilj: proučiti uređaj i princip rada elektromotora.
Oprema: model elektromotora, izvor struje, reostat, ključ, ampermetar, spojne žice, crteži, prezentacija.
ZADACI:
1 . Proučiti uređaj i princip rada elektromotora, koristeći prezentaciju, crteže i model.
2 . Spojite motor na izvor napajanja i promatrajte njegov rad. Ako motor ne radi, pronađite uzrok, pokušajte riješiti problem.
3 . Navedite dva glavna elementa u uređaju elektromotora.
4 . Na kojoj se fizičkoj pojavi temelji djelovanje elektromotora?
5 . Promijenite smjer vrtnje armature. Zapišite što treba učiniti.
6. Sastavite električni krug tako što ćete serijski spojiti elektromotor, reostat, izvor struje, ampermetar i ključ. Promijenite struju i promatrajte rad elektromotora. Mijenja li se brzina vrtnje armature? Zapišite zaključak o ovisnosti sile koja djeluje na strani magnetskog polja na zavojnicu, o jakosti struje u zavojnici.
7 . Elektromotori mogu biti bilo koje snage, jer:
A) možete promijeniti jačinu struje u namotu armature;
B) možete promijeniti magnetsko polje induktora.
Navedite točan odgovor:
1) samo je A istinito; 2) samo je B istinito; 3) i A i B su istiniti; 4) i A i B nisu u pravu.
8 . Navedite prednosti elektromotora u odnosu na toplinski.
1. Svrha rada: Proučiti značajke pokretanja, mehaničke karakteristike i metode upravljanja brzinom istosmjernog motora s mješovitom pobudom.
Adania.
2.1. za samostalan rad:
Proučiti značajke dizajna, sklopove za uključivanje istosmjernih motora;
Proučiti način dobivanja mehaničkih karakteristika istosmjernog motora;
Upoznajte se sa značajkama pokretanja i upravljanja brzinom istosmjernog motora;
Nacrtati dijagrame strujnih krugova za mjerenje otpora kruga armature i namota polja (slika 6.4) i ispitivanje motora (slika 6.2);
Koristeći sl. 6.2 i 6.3 izraditi dijagram ožičenja;
Nacrtajte oblike tablica 6.1 ... 6.4;
Pripremite usmene odgovore na kontrolna pitanja.
2.2. za rad u laboratoriju:
Upoznajte se s postavom laboratorija;
Zabilježite u tablici 6.1. podaci o putovnici motora;
Izmjerite otpor kruga armature i namota polja. Zabilježite podatke u tablici 6.1;
Sastavite krug i provedite studiju motora, zapišite podatke u tablice 6.2, 6.3, 6.4;
Izgradite prirodnu mehaničku karakteristiku n=f(M) i karakteristike brzine n=f(I B) i n=f(U);
Izvucite zaključke iz rezultata studije.
Opće informacije.
DC motori, za razliku od AC motora (prvenstveno asinkronih), imaju veliki omjer pokretačkog momenta i kapacitet preopterećenja te omogućuju nesmetanu kontrolu brzine radnog stroja. Stoga se koriste za pogon strojeva i mehanizama s otežanim uvjetima pokretanja (na primjer, kao starteri u motorima s unutarnjim izgaranjem), kao i, ako je potrebno, za kontrolu brzine vrtnje u širokom rasponu (mehanizmi za dovod alatnih strojeva, rad- kočnice, elektrificirana vozila).
Strukturno, motor se sastoji od fiksne jedinice (induktor) i rotirajuće jedinice (armature). Namoti uzbude nalaze se na magnetskom krugu induktora. U mješovitom uzbudnom motoru postoje dva: paralelna s pinovima Sh 1 i Sh2 i serijska s pinovima C1 i C2 (slika 6.2). Otpor paralelnog namota R ovsh je, ovisno o snazi motora, od nekoliko desetina do stotina oma. Izrađuje se žicom malog presjeka s velikim brojem zavoja. Serijski namot ima nizak otpor R obc (obično od nekoliko ohma do frakcija oma), jer sastoji se od malog broja zavoja žice velikog presjeka. Induktor služi za stvaranje magnetskog toka uzbude kada se njegovi namoti napajaju istosmjernom strujom.
Armaturni namot se postavlja u utore magnetskog kruga i dovodi do kolektora. Uz pomoć četkica, njegovi zaključci I I i I 2 spojeni su na izvor istosmjerne struje. Otpor namota armature R I je mali (Ohma ili frakcije Ohma).
Moment M istosmjernog motora nastaje interakcijom struje armature Ia s uzbudnim magnetskim tokom F:
M \u003d K × Ia × F, (6.1)
gdje je K konstantni koeficijent koji ovisi o izvedbi motora.
Kada se armatura rotira, njezin namot prelazi magnetski tok uzbude i u njemu se inducira EMF E, proporcionalan frekvenciji rotacije n:
E \u003d C × n × F, (6.2)
gdje je C konstantni faktor koji ovisi o izvedbi motora.
Struja armature:
I I \u003d (U - E) / (R I + R OBC) \u003d (U - C × n × F) / (R I + R OBC), (6.3)
Rješavajući zajedno izraze 6.1 i 6.3 s obzirom na n, nalaze se analitički izraz za mehaničke karakteristike motora n = F (M). Njegov grafički prikaz prikazan je na slici 6.1.
Riža. 6.1. Mehaničke karakteristike istosmjernog motora mješovite uzbude
Točka A odgovara praznom hodu motora s brzinom vrtnje n o. S povećanjem mehaničkog opterećenja, brzina vrtnje se smanjuje, a zakretni moment raste, dostižući nazivnu vrijednost M H u točki B. U odjeljku BC motor radi s preopterećenjem. Struja Iya prelazi nominalnu vrijednost, što dovodi do brzog zagrijavanja namota armature i OBC-a, a iskrenje na kolektoru se povećava. Maksimalni moment M max (točka C) ograničen je radnim uvjetima kolektora i mehaničkom čvrstoćom motora.
Nastavljajući mehaničku karakteristiku dok se ne siječe u točki D" s osi momenta, dobili bismo vrijednost početnog momenta kada je motor izravno spojen na mrežu. EMF E je nula i struja u krugu armature, u skladu s formule 6.3, naglo raste.
Kako bi se smanjila početna struja, startni reostat Rx (slika 6.2) s otporom je spojen serijski na krug armature:
Rx = U H / (1,3...2,5) ×I Ya.N. - (R I - R obc), (6.4)
gdje je U h - nazivni napon mreže;
Ja Ya.N. - nazivna struja armature.
Smanjenje struje armature na (1,3...2,5)×I Ya.N. osigurava dovoljan početni moment pokretanja Mn (točka D). Kako motor ubrzava, otpor Rx se smanjuje na nulu, održavajući približno konstantnu vrijednost Mp (SD dionica).
Reostat R B u krugu paralelnog uzbudnog namota (slika 6.2) omogućuje podešavanje veličine magnetskog toka F (formula 6.1). Prije pokretanja motora, potpuno se uklanja kako bi se dobio potreban početni moment pri minimalnoj struji armature.
Pomoću formule 6.3 određujemo brzinu motora
n = (U - I I (R I + R obc + Rx)) / (S F), (6.5)
u kojoj su R I, R obc i C konstante, a U, I I i F se mogu mijenjati. Iz ovoga slijede tri moguća načina kontrole brzine motora:
Promjena veličine ulaznog napona;
Promjenom vrijednosti struje armature pomoću reostata za podešavanje Rx, koji se, za razliku od početnog, izračunava za kontinuirani rad;
Promjenom veličine magnetskog toka uzbude F, koji je proporcionalan struji u OVSH i OVSS namotima. U paralelnom namotu može se podesiti reostatom R b. Otpor R b uzima se ovisno o potrebnim granicama kontrole brzine R B =(2...5) R obsh.
Na natpisnoj pločici motora naznačena je nazivna brzina, koja odgovara nazivnoj snazi na osovini motora pri nazivnom mrežnom naponu i izlaznim otporima reostata R X i R B .
Svaki elektromotor je dizajniran za obavljanje mehaničkog rada zbog potrošnje električne energije koja se na njega primjenjuje, a koja se u pravilu pretvara u rotacijsko gibanje. Iako u tehnologiji postoje modeli koji odmah stvaraju translacijsko kretanje radnog tijela. Zovu se linearni motori.
U industrijskim instalacijama elektromotori pokreću različite strojeve i mehaničke uređaje uključene u tehnološki proces proizvodnje.
Unutar kućanskih aparata, elektromotora pokreću perilice rublja, usisavače, računala, sušila za kosu, dječje igračke, satove i mnoge druge uređaje.
Osnovni fizikalni procesi i princip rada
Električni naboji koji se kreću unutra, a nazivaju se električnom strujom, uvijek su pod utjecajem mehaničke sile koja nastoji skrenuti njihov smjer u ravnini koja se nalazi okomito na orijentaciju magnetskih linija sile. Kada električna struja prolazi kroz metalni vodič ili zavojnicu napravljenu od njega, ta sila teži pomicanju / rotaciji svakog vodiča koji vodi struju i cijelog namota u cjelini.
Slika ispod prikazuje metalni okvir kroz koji teče struja. Magnetsko polje primijenjeno na njega stvara silu F za svaku granu okvira, što stvara rotacijsko kretanje.
Ovo svojstvo međudjelovanja električne i magnetske energije temeljeno na stvaranju elektromotorne sile u zatvorenom strujnom strujnom krugu stavlja se u rad bilo kojeg elektromotora. Njegov dizajn uključuje:
namota kroz koji teče električna struja. Postavlja se na posebno jezgro-sidro i učvršćuje u rotirajućim ležajevima kako bi se smanjilo protudjelovanje sila trenja. Ovaj dizajn naziva se rotor;
stator koji stvara magnetsko polje koje svojim linijama sile prožima električne naboje koji prolaze kroz zavoje namota rotora;
kućište za stator. Unutar kućišta izrađene su posebne utičnice za slijetanje, unutar kojih su montirani vanjski kavezi ležajeva rotora.
Pojednostavljeno, dizajn najjednostavnijeg elektromotora može se prikazati slikom sljedećeg oblika.
Kada se rotor okreće, stvara se zakretni moment čija snaga ovisi o cjelokupnom dizajnu uređaja, veličini primijenjene električne energije i njezinim gubicima tijekom transformacija.
Vrijednost maksimalnog mogućeg zakretnog momenta motora uvijek je manja od električne energije koja se na njega primjenjuje. Karakterizira ga vrijednost faktora učinkovitosti.
Vrste elektromotora
Prema vrsti struje koja teče kroz namote dijele se na istosmjerne ili izmjenične motore. Svaka od ove dvije skupine ima veliki broj modifikacija korištenjem različitih tehnoloških procesa.
DC motori
Imaju statorsko magnetsko polje koje stvaraju trajno učvršćeni ili posebni elektromagneti s uzbudnim namotima. Namotaj armature je kruto montiran u osovinu, koja je pričvršćena u ležajevima i može se slobodno okretati oko svoje osi.
Glavni uređaj takvog motora prikazan je na slici.
Na jezgri armature od feromagnetskih materijala nalazi se namot koji se sastoji od dva serijski spojena dijela, koji su na jednom kraju spojeni na vodljive kolektorske ploče, a na drugom kraju međusobno komutirani. Dvije grafitne četke smještene su na dijametralno suprotnim krajevima armature i pritisnute su na kontaktne jastučiće kolektorskih ploča.
Pozitivan potencijal izvora konstantne struje dovodi donju četku uzorka, a negativan na gornju četku. Smjer struje koja teče kroz namot prikazan je točkastom crvenom strelicom.
Struja uzrokuje magnetsko polje sjevernog pola u donjem lijevom dijelu armature, a južnog pola u gornjem desnom (pravilo gimleta). To dovodi do odbijanja polova rotora od istoimenih stacionarnih i privlačenja prema suprotnim polovima na statoru. Kao rezultat primijenjene sile, dolazi do rotacijskog kretanja čiji je smjer označen smeđom strelicom.
Daljnjom rotacijom armature, po inerciji, polovi prelaze na druge kolektorske ploče. Smjer struje u njima je obrnut. Rotor nastavlja daljnju rotaciju.
Jednostavan dizajn takvog kolektorskog uređaja dovodi do velikih gubitaka električne energije. Takvi motori rade u uređajima jednostavnog dizajna ili igračkama za djecu.
DC motori uključeni u proizvodni proces imaju složeniji dizajn:
namot nije podijeljen na dva, već na više dijelova;
svaki dio namota montiran je na vlastiti stup;
kolektorski uređaj se izrađuje s određenim brojem kontaktnih jastučića prema broju sekcija namota.
Kao rezultat toga, stvara se glatka veza svakog pola preko njegovih kontaktnih ploča na četke i izvor struje, a gubici snage se smanjuju.
Uređaj takvog sidra prikazan je na slici.
Kod električnih istosmjernih motora smjer vrtnje rotora može se obrnuti. Da biste to učinili, dovoljno je promijeniti kretanje struje u namotu na suprotno promjenom polariteta na izvoru.
AC motori
Oni se razlikuju od prethodnih dizajna po tome što se električna struja koja teče u njihovom namotu opisuje povremenom promjenom smjera (znaka). Za njihovo napajanje, napon se napaja iz generatora s vrijednošću varijable predznaka.
Stator takvih motora izrađen je magnetskim krugom. Izrađuje se od feromagnetskih ploča s utorima u koje se postavljaju zavoji namota s konfiguracijom okvira (zavojnice).
Sinkroni motori
Slika ispod pokazuje princip rada jednofaznog motora na izmjeničnu struju uz sinkronu rotaciju elektromagnetskih polja rotora i statora.
U utorima magnetskog kruga statora, na dijametralno suprotnim krajevima, postavljeni su vodiči za namote, shematski prikazani u obliku okvira kroz koji teče izmjenična struja.
Razmotrimo slučaj za trenutak vremena koji odgovara prolasku pozitivnog dijela njegovog poluvala.
U kavezima ležaja slobodno se okreće rotor s ugrađenim permanentnim magnetom u kojem su izraženi sjeverni “N usta” i južni “S usta”. Kada kroz statorski namot teče pozitivan poluval struje, u njemu se stvara magnetsko polje s polovima "S st" i "N st".
Između magnetskih polja rotora i statora nastaju sile interakcije (istoimenih polova se odbijaju, a suprotnih polova privlače), koje nastoje okrenuti armaturu elektromotora iz proizvoljnog položaja u konačni, kada se suprotni polovi su što bliže jedan drugome.
Ako razmotrimo isti slučaj, ali za trenutak vremena kada obrnuti - negativni poluval struje teče kroz vodič okvira, tada će se rotacija armature dogoditi u suprotnom smjeru.
Za kontinuirano kretanje rotora u statoru, ne izrađuje se jedan namotaj okvira, već određeni broj njih, tako da se svaki od njih napaja zasebnim izvorom struje.
Princip rada trofaznog AC motora sa sinkronom rotacijom elektromagnetska polja rotora i statora prikazana je na sljedećoj slici.
U ovom dizajnu, tri namota A, B i C postavljena su unutar magnetskog kruga statora, pomaknuti pod kutovima od 120 stupnjeva jedan prema drugom. Namot A je označen žutom bojom, navoj B je zelen, a namotaj C je crveni. Svaki namot je izrađen s istim okvirima kao u prethodnom slučaju.
Na slici za svaki slučaj struja prolazi kroz samo jedan namot u smjeru naprijed ili unatrag, što je označeno znakovima "+" i "-".
Prolaskom pozitivnog poluvala u fazi A u smjeru naprijed, os polja rotora zauzima horizontalni položaj jer se magnetski polovi statora formiraju u ovoj ravnini i privlače pokretnu armaturu. Nasuprotni polovi rotora teže se približavanju polovima statora.
Kada pozitivni poluval prijeđe u fazu C, armatura će se rotirati za 60 stupnjeva u smjeru kazaljke na satu. Nakon što se struja dovede na fazu B, dogodit će se slična rotacija armature. Svaki sljedeći protok struje u sljedećoj fazi sljedećeg namota zakrenut će rotor.
Ako se napon trofazne mreže pomaknut pod kutom od 120 stupnjeva dovede do svakog namota, tada će u njima kružiti izmjenične struje koje će odmotati armaturu i stvoriti njezinu sinkronu rotaciju s primijenjenim elektromagnetskim poljem.
Isti mehanički dizajn uspješno je primijenjen u trofazni koračni motor. Samo u svakom namotu, uz pomoć upravljanja, DC impulsi se napajaju i uklanjaju prema gore opisanom algoritmu.
Njihovim pokretanjem započinje rotacijski pokret, a završetak u određenom trenutku osigurava doziranu rotaciju osovine i zaustavljanje pod programiranim kutom za izvođenje određenih tehnoloških operacija.
U oba opisana trofazna sustava moguća je promjena smjera vrtnje armature. Da biste to učinili, samo trebate promijeniti slijed faza "A" - "B" - "C" u drugi, na primjer, "A" - "C" - "B".
Brzina vrtnje rotora regulirana je trajanjem perioda T. Njegovo smanjenje dovodi do ubrzanja vrtnje. Amplituda struje u fazi ovisi o unutarnjem otporu namota i vrijednosti napona koji se na njega primjenjuje. Određuje količinu okretnog momenta i snagu elektromotora.
Asinkroni motori
Ove izvedbe motora imaju isti magnetski krug statora s namotima kao u prethodno razmatranim jednofaznim i trofaznim modelima. Ime su dobili zbog nesinkrone rotacije elektromagnetskih polja armature i statora. To je učinjeno poboljšanjem konfiguracije rotora.
Njegova jezgra je izrađena od ploča od električnih razreda čelika s utorima. U njih su montirani aluminijski ili bakreni vodiči koji su zatvoreni vodljivim prstenovima na krajevima armature.
Kada se na namote statora dovede napon, u namotu rotora se inducira električna struja elektromotornom silom i stvara se magnetsko polje armature. Kada ta elektromagnetska polja stupe u interakciju, počinje rotacija osovine motora.
Kod ovog dizajna pomicanje rotora moguće je tek nakon što se u statoru pojavi rotirajuće elektromagnetsko polje i on s njim nastavlja u asinkronom načinu rada.
Asinkroni motori su jednostavnijeg dizajna. Stoga su jeftiniji i naširoko se koriste u industrijskim instalacijama i kućanskim aparatima.
Linearni motori
Mnoga radna tijela industrijskih mehanizama izvode povratno ili translacijsko kretanje u jednoj ravnini, što je neophodno za rad strojeva za obradu metala, vozila, udare čekićem pri zabijanju pilota ...
Pomicanje takvog radnog tijela uz pomoć mjenjača, kugličnih vijaka, remenskih pogona i sličnih mehaničkih uređaja iz rotacijskog elektromotora komplicira dizajn. Suvremeno tehničko rješenje ovog problema je rad linearnog elektromotora.
Njegov stator i rotor su izduženi u obliku traka, a ne presavijeni u prstenove, kao u rotacijskim elektromotorima.
Načelo rada je da se klipnom rotoru prenese uzlazno linearno kretanje zbog prijenosa elektromagnetske energije s fiksnog statora s otvorenim magnetskim krugom određene duljine. Unutar njega, paljenjem struje naizmjence, stvara se putujuće magnetsko polje.
Djeluje na namot armature s kolektorom. Sile koje nastaju u takvom motoru pomiču rotor samo u linearnom smjeru duž elemenata za vođenje.
Linearni motori su dizajnirani za rad na istosmjernu ili izmjeničnu struju, a mogu raditi u sinkronom ili asinkronom načinu rada.
Nedostaci linearnih motora su:
složenost tehnologije;
visoka cijena;
niske energetske performanse.