Studiul laboratorului de motoare electrice DC. Înțelegem principiile de funcționare a motoarelor electrice: avantajele și dezavantajele diferitelor tipuri. Cum funcționează un motor electric
pentru a studia dispozitivul, principiul de funcționare, caracteristicile motorului de curent continuu;
dobândiți abilități practice în pornirea, operarea și oprirea unui motor electric de curent continuu;
investigați experimental informațiile teoretice despre caracteristicile unui motor de curent continuu.
Prevederi teoretice de bază
Un motor electric de curent continuu este o mașină electrică concepută pentru a transforma energia electrică în energie mecanică.
Dispozitivul motorului de curent continuu nu este diferit de generatorul de curent continuu. Această circumstanță face ca mașinile electrice de curent continuu să fie reversibile, adică le permite să fie utilizate atât în modul generator, cât și în modul motor. Din punct de vedere structural, un motor de curent continuu are elemente fixe și mobile, care sunt prezentate în Fig. unu.
Partea fixă - statorul 1 (cadru) este din oțel turnat, constă din 2 poli principali și 3 poli suplimentari cu înfășurări de excitație 4 și 5 și o traversare a periei cu perii. Statorul îndeplinește funcția de circuit magnetic. Cu ajutorul polilor principali se creează un câmp magnetic constant în timp și imobil în spațiu. Stâlpi suplimentari sunt plasați între polii principali și îmbunătățesc condițiile de comutare.
Partea mobilă a motorului de curent continuu este rotorul 6 (armatura), care este plasat pe un arbore rotativ. Armătura joacă, de asemenea, rolul unui circuit magnetic. Este realizat din foi subțiri, izolate electric unele de altele, subțiri de oțel electric cu un conținut ridicat de siliciu, ceea ce reduce pierderile de putere. Înfășurările 7 sunt presate în canelurile armăturii, ale căror cabluri sunt conectate la plăcile colectoare 8, plasate pe același arbore a motorului (vezi fig. 1).
Luați în considerare principiul de funcționare al unui motor de curent continuu. Conectarea unei tensiuni constante la bornele unei mașini electrice determină apariția simultană în înfășurările de excitație (stator) și în înfășurările armăturii de curent (Fig. 2). Ca urmare a interacțiunii curentului de armătură cu fluxul magnetic creat de înfășurarea câmpului, în stator apare o forță f, determinat de legea lui Ampère . Direcția acestei forțe este determinată de regula mâinii stângi (Fig. 2), conform căreia ea este orientată perpendicular atât pe curentul. i(în înfășurarea armăturii) și la vectorul de inducție magnetică V(creat de înfăşurarea de excitaţie). Ca urmare, asupra rotorului acționează o pereche de forțe (Fig. 2). Forța acționează pe partea superioară a rotorului spre dreapta, pe partea inferioară - spre stânga. Această pereche de forțe creează un cuplu, sub acțiunea căruia armătura este antrenată în rotație. Mărimea momentului electromagnetic emergent se dovedește a fi egală cu
M = c m eu eu sunt F,
Unde Cu m - coeficient în funcție de proiectarea înfășurării armăturii și de numărul de poli ai motorului electric; F- fluxul magnetic al unei perechi de poli principali ai motorului electric; eu Eu sunt - curentul armăturii motorului. După cum rezultă din Fig. 2, rotația înfășurărilor armăturii este însoțită de o modificare simultană a polarității pe plăcile colectoare. Direcția curentului în spirele înfășurării armăturii se schimbă în sens opus, dar fluxul magnetic al înfășurărilor de excitație păstrează aceeași direcție, ceea ce face ca direcția forțelor să rămână neschimbată. f, și de aici și cuplul.
Rotirea armăturii într-un câmp magnetic duce la apariția unei feme în înfășurarea sa, a cărei direcție este deja determinată de regula mâinii drepte. Ca urmare, pentru cel prezentat în fig. 2 configurații de câmpuri și forțe în înfășurarea armăturii, va apărea un curent de inducție, direcționat opus curentului principal. Prin urmare, EMF emergentă se numește contra-EMF. Valoarea lui este
E = Cu e nФ,
Unde n- frecvența de rotație a armăturii motorului electric; Cu e este un coeficient în funcție de elementele structurale ale mașinii. Acest EMF degradează performanța motorului.
Curentul din armătură creează un câmp magnetic care afectează câmpul magnetic al polilor principali (stator), care se numește reacția armăturii. În modul inactiv al mașinii, câmpul magnetic este creat numai de polii principali. Acest câmp este simetric față de axele acestor poli și coaxial cu acestea. Când este conectat la un motor de sarcină, din cauza curentului din înfășurarea armăturii, se creează un câmp magnetic - câmpul armăturii. Axa acestui câmp va fi perpendiculară pe axa polilor principali. Deoarece distribuția curentului în conductorii armăturii rămâne neschimbată în timpul rotației armăturii, câmpul armăturii rămâne staționar în spațiu. Adăugarea acestui câmp la câmpul polilor principali dă câmpul rezultat, care se desfășoară printr-un unghi împotriva sensului de rotație a armăturii. Ca urmare, cuplul scade, deoarece o parte din conductori intră în zona polului de polaritate opusă și creează un cuplu de frânare. În acest caz, periile scânteie și colectorul arde, apare un câmp longitudinal de demagnetizare.
Pentru a reduce influența reacției armăturii asupra funcționării mașinii, în ea sunt încorporați poli suplimentari. Înfășurările unor astfel de poli sunt conectate în serie cu înfășurarea principală a armăturii, dar o schimbare a direcției de înfășurare a acestora determină apariția unui câmp magnetic îndreptat împotriva câmpului magnetic al armăturii.
Pentru a schimba sensul de rotație al unui motor de curent continuu, este necesar să se schimbe polaritatea tensiunii furnizate armăturii sau înfășurării de câmp.
În funcție de metoda de pornire a înfășurării de excitație, motoarele de curent continuu se disting prin excitație paralelă, serie și mixtă.
Pentru motoarele cu excitație paralelă, înfășurarea este proiectată pentru întreaga tensiune a rețelei de alimentare și este conectată în paralel cu circuitul armăturii (Fig. 3).
Un motor cu excitație în serie are o înfășurare de câmp care este conectată în serie cu armătura, astfel încât această înfășurare este proiectată pentru curentul complet de armătură (Fig. 4).
Motoarele cu excitație mixtă au două înfășurări, una este conectată în paralel, cealaltă este conectată în serie cu o armătură (Fig. 5).
Orez. 3 Fig. 4
La pornirea motoarelor de curent continuu (indiferent de metoda de excitare) prin conexiune directă la rețeaua de alimentare, apar curenți de pornire semnificativi, care pot duce la defectarea acestora. Acest lucru are loc ca urmare a eliberării unei cantități semnificative de căldură în înfășurarea armăturii și a încălcării ulterioare a izolației acesteia. Prin urmare, pornirea motoarelor de curent continuu este efectuată de dispozitive speciale de pornire. În cele mai multe cazuri, în aceste scopuri, se folosește cel mai simplu dispozitiv de pornire - un reostat de pornire. Procesul de pornire a unui motor de curent continuu cu un reostat de pornire este prezentat folosind exemplul unui motor de curent continuu cu excitație paralelă.
Pe baza ecuației compilate în conformitate cu a doua lege Kirchhoff pentru partea stângă a circuitului electric (vezi Fig. 3), reostatul de pornire este complet îndepărtat ( R start = 0), curent de armătură
,
Unde U- tensiunea furnizată motorului electric; R i este rezistența înfășurării armăturii.
În momentul inițial al pornirii motorului electric, viteza armăturii n= 0, prin urmare, forța contra-electromotoare indusă în înfășurarea armăturii, în conformitate cu expresia obținută mai devreme, va fi de asemenea egală cu zero ( E= 0).
Rezistenta la infasurarea armaturii R eu sunt destul de mic. Pentru a limita curentul inacceptabil de mare din circuitul armăturii în timpul pornirii, se pornește un reostat de pornire în serie cu armătura, indiferent de metoda de excitare a motorului (rezistența la pornire). R start). În acest caz, curentul de pornire al armăturii
.
Pornirea rezistenței reostatului R pornirea este calculată pentru funcționare numai pentru ora de pornire și este selectată astfel încât curentul de pornire al armăturii motorului să nu depășească valoarea admisă ( eu i, începe 2 eu i, nom). Pe măsură ce motorul accelerează, EMF indus în înfășurarea armăturii datorită creșterii frecvenței sale de rotație n crește ( E=Cu e nФ). Ca urmare a acestui fapt, curentul de armătură, ceteris paribus, scade. În acest caz, rezistența reostatului de pornire R start pe măsură ce armătura motorului accelerează, aceasta trebuie redusă treptat. După terminarea accelerației motorului până la valoarea nominală a vitezei de armătură, EMF crește atât de mult încât rezistența de pornire poate fi redusă la zero, fără pericolul unei creșteri semnificative a curentului de armătură.
Deci rezistența la pornire R pornirea în circuitul de armătură este necesară doar la pornire. În timpul funcționării normale a motorului electric, acesta trebuie oprit, în primul rând, deoarece este proiectat pentru funcționare pe termen scurt în timpul pornirii și, în al doilea rând, dacă există o rezistență la pornire, pierderi de putere termică egale cu R start eu 2 I, reducând semnificativ randamentul motorului electric.
.
Luând în considerare expresia pentru EMF ( E=Cu e nФ), scriind formula rezultată pentru frecvența de rotație, obținem ecuația pentru frecvența (viteza) caracteristică motorului electric n(eu Eu sunt):
.
Din aceasta rezultă că în absența unei sarcini asupra arborelui și a curentului de armătură eu eu sunt = 0 viteza de rotatie a motorului electric la o valoare data a tensiunii de alimentare
.
Viteza motorului n 0 este turația ideală de ralanti. Pe lângă parametrii motorului electric, depinde și de valoarea tensiunii de intrare și a fluxului magnetic. Odată cu scăderea fluxului magnetic, celelalte lucruri fiind egale, viteza de rotație a unui ralanti ideal crește. Prin urmare, în cazul unui circuit deschis al înfășurării de excitație, când curentul de excitație devine zero ( eu c = 0), fluxul magnetic al motorului se reduce la o valoare egală cu valoarea fluxului magnetic rezidual F odihnă. În acest caz, motorul „intră în overdrive”, dezvoltând o turație mult mai mare decât cea nominală, ceea ce prezintă un anumit pericol atât pentru motor, cât și pentru personalul de întreținere.
Frecvența (viteza) caracteristică unui motor de curent continuu cu excitație paralelă n(eu i) la o valoare constantă a fluxului magnetic F=constși o valoare constantă a tensiunii de intrare U = const arată ca o linie dreaptă (Fig. 6).
Exprimând în ecuațiile caracteristicilor de frecvență curentul de armătură prin cuplul electromagnetic al motorului M =Cu m eu eu sunt F, obținem ecuația caracteristicii mecanice, adică dependențele n(M) la U = const pentru motoare cu excitație paralelă:
.
Neglijând influența reacției armăturii în procesul de modificare a sarcinii, este posibil să se accepte cuplul electromagnetic al motorului ca fiind proporțional cu curentul armăturii. Prin urmare, caracteristicile mecanice ale motoarelor de curent continuu au aceeași formă ca și caracteristicile de frecvență corespunzătoare. Motorul de șunt are o caracteristică mecanică rigidă (Fig. 7). Din această caracteristică se poate observa că viteza sa de rotație scade ușor odată cu creșterea cuplului de sarcină, deoarece curentul de excitare atunci când înfășurarea de excitație este conectată în paralel și, în consecință, fluxul magnetic al motorului rămâne practic neschimbat, iar rezistența armăturii. circuitul este relativ mic.
Caracteristicile de performanță ale unui motor de curent continuu excitat în paralel sunt prezentate în fig. 8. Din aceste caracteristici se poate observa că viteza de rotaţie n motoarele cu excitație paralelă cu sarcina crescândă scade ușor. Dependența momentului util de arborele motorului de putere R 2 este o linie aproape dreaptă, deoarece momentul acestui motor este proporțional cu sarcina pe arbore: M=kP 2 / n. Curbura acestei dependențe se explică printr-o scădere ușoară a vitezei de rotație odată cu creșterea sarcinii.
La R 2 = 0 curentul consumat de motorul electric este egal cu curentul în gol. Cu o creștere a puterii, curentul armăturii crește aproximativ în funcție de aceeași dependență ca și cuplul de sarcină pe arbore, deoarece în condiția F=const curentul armăturii este proporțional cu cuplul de sarcină. Eficiența unui motor electric este definită ca raportul dintre puterea utilă pe arbore și puterea consumată din rețea:
,
Unde R 2 - putere utilă a arborelui; R 1 =UI- puterea consumata de motorul electric din reteaua de alimentare; R ey = eu 2 i R i - pierderi de putere electrică în circuitul armăturii, R ev = UIîn, = eu 2 in R v - pierderi de putere electrică în circuitul de excitație; R blana - pierderi mecanice de putere; R m - pierderi de putere datorate histerezisului și curenților turbionari.
Cu o tensiune de alimentare constantă și un flux magnetic constant, în procesul de modificare a valorii rezistenței circuitului armăturii, se poate obține o familie de caracteristici mecanice, de exemplu, pentru un motor electric cu excitație paralelă (Fig. 9).
Avantajul metodei de control luate în considerare constă în relativa simplitate și capacitatea de a obține o schimbare lină a vitezei de rotație într-un interval larg (de la zero la valoarea nominală a frecvenței). n nom). Dezavantajele acestei metode includ faptul că există pierderi semnificative de putere în rezistența suplimentară, crescând odată cu scăderea vitezei, precum și necesitatea de a utiliza echipamente de control suplimentare. În plus, această metodă nu vă permite să reglați viteza motorului în sus de la valoarea sa nominală.
O modificare a vitezei de rotație a unui motor de curent continuu poate fi realizată și ca urmare a modificării valorii fluxului magnetic de excitație. La modificarea fluxului magnetic în conformitate cu ecuația răspunsului în frecvență pentru motoarele de curent continuu cu excitație paralelă la o valoare constantă a tensiunii de alimentare și o valoare constantă a rezistenței circuitului de armătură, se poate obține o familie de caracteristici mecanice, prezentate în fig. . 10.
Dezavantajele acestei metode ar trebui să includă și o gamă relativ mică de reglare din cauza prezenței restricțiilor asupra rezistenței mecanice și a comutării motorului electric. Avantajul acestei metode de control este simplitatea ei. Pentru motoarele cu excitație paralelă, acest lucru se realizează prin modificarea rezistenței reostatului de reglare R Rîn circuitul de excitaţie.
Pentru motoarele de curent continuu cu excitație în serie, o modificare a fluxului magnetic se realizează prin manevrarea înfășurării de excitație cu o rezistență de o valoare adecvată sau prin scurtcircuitarea unui anumit număr de spire ale înfășurării de excitație.
Utilizarea pe scară largă, în special în acţionarea electrică construită conform sistemului generator-motor, a primit o metodă de control al vitezei prin modificarea tensiunii la clemele armăturii motorului. Cu un flux magnetic constant și rezistență a circuitului de armătură, ca urmare a unei modificări a tensiunii de armătură, se poate obține o familie de caracteristici de frecvență.
Cu o modificare a tensiunii de intrare, turația ideală de ralanti n 0 în conformitate cu expresia dată mai devreme, variază proporțional cu tensiunea. Deoarece rezistența circuitului armăturii rămâne neschimbată, rigiditatea familiei de caracteristici mecanice nu diferă de rigiditatea caracteristicii mecanice naturale la U=U nom.
Avantajul metodei de reglare luate în considerare este o gamă largă de modificări de viteză fără creșterea pierderilor de putere. Dezavantajele acestei metode includ faptul că aceasta necesită o sursă de tensiune de alimentare reglată, ceea ce duce la creșterea greutății, dimensiunilor și costului instalației.
Un motor electric este un dispozitiv electric pentru transformarea energiei electrice în energie mecanică. Astăzi, motoarele electrice sunt utilizate pe scară largă în industrie pentru a conduce diverse mașini și mecanisme. În gospodărie, acestea sunt instalate într-o mașină de spălat, frigider, storcător, robot de bucătărie, ventilatoare, aparate de ras electric etc. Motoarele electrice pun în mișcare dispozitive și mecanisme conectate la acesta.
În acest articol, voi vorbi despre cele mai comune tipuri și principii de funcționare ale motoarelor electrice cu curent alternativ, utilizate pe scară largă în garaj, gospodărie sau atelier.
Cum funcționează un motor electric
Motorul funcționează pe baza efectului descoperit de Michael Faraday în 1821. El a descoperit că atunci când un curent electric dintr-un conductor interacționează cu un magnet, poate avea loc o rotație continuă.
Dacă într-un câmp magnetic uniform plasați cadrul într-o poziție verticală și treceți curent prin el, apoi va apărea un câmp electromagnetic în jurul conductorului, care va interacționa cu polii magneților. Cadrul va fi respins de la unul și atras de celălalt.
Ca urmare, cadrul se va întoarce într-o poziție orizontală, în care va exista un efect zero al câmpului magnetic asupra conductorului. Pentru ca rotația să continue, trebuie să adăugați un alt cadru într-un unghi sau să schimbați direcția curentului în cadru la momentul potrivit.
În figură, acest lucru se realizează folosind două jumătăți de inele, de care se alătură plăcile de contact ale bateriei. Ca urmare, după ce se încheie o jumătate de tură, polaritatea se schimbă și rotația continuă.
În motoarele electrice moderneîn loc de magneți permanenți, se folosesc inductori sau electromagneți pentru a crea un câmp magnetic. Dacă dezasamblați orice motor, veți vedea bobine spiralate de sârmă acoperite cu lac izolator. Aceste spire sunt un electromagnet sau, așa cum se mai numesc, o înfășurare de excitație.
Acasa magneții permanenți sunt utilizați în jucăriile pentru copii alimentate cu baterii.
În altele mai puternice motoarele folosesc numai electromagneți sau înfășurări. Partea rotativă cu ele se numește rotor, iar partea fixă se numește stator.
Tipuri de motoare electrice
Astăzi, există destul de multe motoare electrice de diferite modele și tipuri. Ele pot fi împărțite după tipul de alimentare:
- Curent alternativ funcționează direct de la rețea.
- Curent continuu care funcționează cu baterii, baterii, surse de alimentare sau alte surse de curent continuu.
Conform principiului muncii:
- Sincron, în care există înfășurări pe rotor și un mecanism de perie pentru alimentarea cu curent electric.
- Asincron, cel mai simplu și cel mai comun tip de motor. Nu au perii și înfășurări pe rotor.
Un motor sincron se rotește sincron cu câmpul magnetic care îl rotește, în timp ce pentru un motor asincron, rotorul se rotește mai lent decât câmpul magnetic rotativ din stator.
Principiul de funcționare și dispozitivul unui motor electric asincron
Într-un pachet asincron motor, sunt așezate înfășurări ale statorului (pentru 380 de volți vor fi 3), care creează un câmp magnetic rotativ. Capetele lor pentru conectare sunt scoase la un bloc de borne special. Infasurarile sunt racite datorita unui ventilator montat pe arborele de la capatul motorului.
Rotor, care sunt una cu arborele, este realizat din tije metalice care sunt inchise intre ele pe ambele parti, motiv pentru care se numeste scurtcircuitat.
Datorită acestui design, nu este nevoie de întreținere periodică frecventă și înlocuire a periilor de alimentare cu curent, fiabilitatea, durabilitatea și fiabilitatea sunt mult crescute.
De obicei, cauza principală a eșecului motorul asincron este uzura rulmenților în care se rotește arborele.
Principiul de funcționare. Pentru ca un motor asincron să funcționeze, este necesar ca rotorul să se rotească mai lent decât câmpul electromagnetic al statorului, în urma căruia este indusă un EMF (apare un curent electric) în rotor. Iată o condiție importantă, dacă rotorul s-ar roti cu aceeași viteză cu câmpul magnetic, atunci, conform legii inducției electromagnetice, nu ar fi indus niciun EMF în el și, prin urmare, nu ar exista nicio rotație. Dar, în realitate, din cauza frecării rulmentului sau a sarcinii arborelui, rotorul se va întoarce întotdeauna mai lent.
Polii magnetici se rotesc constantîn înfășurările motorului, iar direcția curentului în rotor se schimbă constant. La un moment dat, de exemplu, direcția curenților în înfășurările statorului și rotorului este prezentată schematic sub formă de cruci (curent curge de la noi) și puncte (curent către noi). Câmpul magnetic rotativ este afișat ca o linie punctată.
De exemplu, Cum funcționează un ferăstrău circular. Are cea mai mare viteză fără sarcină. Dar de îndată ce începem să tăiem placa, viteza de rotație scade și, în același timp, rotorul începe să se rotească mai lent față de câmpul electromagnetic și, conform legilor ingineriei electrice, începe să fie indusă o valoare EMF și mai mare. în ea. Curentul consumat de motor crește și acesta începe să funcționeze la putere maximă. Dacă sarcina pe arbore este atât de mare încât se blochează, atunci poate apărea deteriorarea rotorului cușcă veveriță din cauza valorii maxime a EMF indusă în acesta. De aceea este important să alegeți un motor de putere adecvată. Dacă luați mai mult, atunci costurile cu energia vor fi nejustificate.
Viteza rotorului depinde de numarul de poli. Cu 2 poli, viteza de rotație va fi egală cu viteza de rotație a câmpului magnetic, egală cu maximum 3000 de rotații pe secundă la o frecvență de rețea de 50 Hz. Pentru a reduce viteza la jumătate, este necesar să creșteți numărul de poli din stator la patru.
Un dezavantaj semnificativ al asincronului motoarele este că acestea sunt servite prin reglarea vitezei de rotație a arborelui doar prin modificarea frecvenței curentului electric. Și astfel nu este posibil să se obțină o viteză constantă a arborelui.
Principiul de funcționare și dispozitivul unui motor AC sincron
Acest tip de motor electric este utilizat în viața de zi cu zi unde este necesară o viteză constantă de rotație, posibilitatea de reglare a acesteia, precum și dacă este necesară o viteză de rotație mai mare de 3000 rpm (acesta este maximul pentru asincron).
Motoarele sincrone sunt instalate în scule electrice, aspiratoare, mașini de spălat, etc.
În cazul unui sincron Sunt amplasate înfășurări ale motorului de curent alternativ (3 în figură), care sunt, de asemenea, înfășurate pe rotor sau armătură (1). Concluziile lor sunt lipite de sectoarele inelului colector sau colectorului (5), care sunt alimentate cu ajutorul periilor de grafit (4). Mai mult decât atât, concluziile sunt aranjate astfel încât periile să furnizeze întotdeauna tensiune la o singură pereche.
Cele mai frecvente avarii motoarele colectoarelor sunt:
- Uzura periei sau contactul slab al acestora din cauza slăbirii arcului de strângere.
- Poluarea colectorului. Curățați fie cu alcool, fie cu hârtie abrazivă zero.
- Uzura rulmentului.
Principiul de funcționare. Cuplul motorului electric este creat ca urmare a interacțiunii dintre curentul de armătură și fluxul magnetic din înfășurarea câmpului. Odată cu schimbarea direcției curentului alternativ, direcția fluxului magnetic se va schimba și ea simultan în corp și armătură, datorită cărora rotația va fi întotdeauna în aceeași direcție.
Laboratorul #9
Subiect. Studiul motorului de curent continuu.
Obiectiv: să studieze dispozitivul și principiul de funcționare al motorului electric.
Echipament: model motor electric, sursa de curent, reostat, cheie, ampermetru, fire de conectare, desene, prezentare.
SARCINI:
1 . Studiați dispozitivul și principiul de funcționare al motorului electric, folosind o prezentare, desene și un model.
2 . Conectați motorul la o sursă de alimentare și observați funcționarea acestuia. Dacă motorul nu funcționează, găsiți cauza, încercați să remediați problema.
3 . Indicați cele două elemente principale din dispozitivul motorului electric.
4 . Pe ce fenomen fizic se bazează acțiunea unui motor electric?
5 . Schimbați sensul de rotație al armăturii. Scrieți ce trebuie făcut.
6. Asamblați circuitul electric conectând în serie un motor electric, un reostat, o sursă de curent, un ampermetru și o cheie. Schimbați curentul și observați funcționarea motorului electric. Se modifică viteza de rotație a armăturii? Notați concluzia despre dependența forței care acționează pe partea câmpului magnetic asupra bobinei, de puterea curentului din bobină.
7 . Motoarele electrice pot avea orice putere, deoarece:
A) puteți modifica puterea curentului în înfășurarea armăturii;
B) puteți modifica câmpul magnetic al inductorului.
Specificați răspunsul corect:
1) numai A este adevărat; 2) numai B este adevărat; 3) atât A cât și B sunt adevărate; 4) atât A cât și B sunt greșite.
8 . Enumerați avantajele unui motor electric față de un motor termic.
1. Scopul lucrării: Să studieze caracteristicile pornirii, caracteristicile mecanice și metodele de control al vitezei unui motor de curent continuu cu excitație mixtă.
Adania.
2.1. pentru munca independenta:
Pentru a studia caracteristicile de proiectare, circuite pentru pornirea motoarelor de curent continuu;
Să studieze metoda de obținere a caracteristicilor mecanice ale unui motor de curent continuu;
Familiarizați-vă cu caracteristicile de pornire și control al vitezei unui motor de curent continuu;
Desenați scheme de circuit pentru măsurarea rezistenței circuitului armăturii și înfășurărilor de câmp (Fig. 6.4) și testarea motorului (Fig. 6.2);
Folosind fig. 6.2 și 6.3 întocmește o schemă electrică;
Desenați formele tabelelor 6.1 ... 6.4;
Pregătiți răspunsuri orale la întrebările de control.
2.2. a lucra in laborator:
Familiarizați-vă cu configurația laboratorului;
Înregistrați în tabelul 6.1. datele pașaportului motorului;
Măsurați rezistența circuitului armăturii și a înfășurărilor de câmp. Înregistrați datele în tabelul 6.1;
Asamblați circuitul și efectuați un studiu al motorului, notați datele în tabelele 6.2, 6.3, 6.4;
Construiți o caracteristică mecanică naturală n=f(M) și caracteristicile de viteză n=f(I B) și n=f(U);
Trageți concluzii din rezultatele studiului.
Informatii generale.
Motoarele de curent continuu, spre deosebire de motoarele de curent alternativ (în primul rând cele asincrone), au un raport mare de cuplu de pornire și o capacitate de suprasarcină și oferă un control fără probleme al vitezei mașinii de lucru. Prin urmare, ele sunt utilizate pentru a conduce mașini și mecanisme cu condiții dificile de pornire (de exemplu, ca demaroare în motoarele cu ardere internă), precum și, dacă este necesar, pentru a controla viteza de rotație într-o gamă largă (mecanisme de alimentare a mașinii-unelte, standuri de frână, vehicule electrificate).
Din punct de vedere structural, motorul este format dintr-o unitate fixă (inductor) și o unitate rotativă (armatură). Înfășurările de excitare sunt situate pe circuitul magnetic al inductorului. Există două dintre ele într-un motor cu excitație mixtă: paralel cu pinii Sh 1 și Sh2 și în serie cu pinii C1 și C2 (Fig. 6.2). Rezistența înfășurării paralele R ovsh este, în funcție de puterea motorului, de la câteva zeci la sute de ohmi. Este realizat cu un fir de secțiune transversală mică cu un număr mare de spire. Înfășurarea în serie are o rezistență R obc scăzută (de obicei de la câțiva ohmi la fracțiuni de ohm), deoarece constă dintr-un număr mic de spire de sârmă de secțiune transversală mare. Inductorul servește la crearea unui flux de excitație magnetică atunci când înfășurările sale sunt alimentate de curent continuu.
Înfășurarea armăturii este plasată în canelurile circuitului magnetic și adusă la colector. Cu ajutorul periilor, concluziile sale I I și I 2 sunt conectate la o sursă de curent continuu. Rezistența înfășurării armăturii R I este mică (Ohmi sau fracțiuni de Ohm).
Cuplul M al unui motor de curent continuu este creat prin interacțiunea curentului de armătură Ia cu fluxul magnetic de excitație Ф:
M \u003d K × Ia × F, (6.1)
unde K este un coeficient constant în funcție de proiectarea motorului.
Când armătura se rotește, înfășurarea ei traversează fluxul magnetic de excitație și în ea este indus un EMF E, proporțional cu frecvența de rotație n:
E \u003d C × n × F, (6.2)
unde C este un factor constant în funcție de proiectarea motorului.
Curentul armăturii:
I I \u003d (U - E) / (R I + R OBC) \u003d (U - C × n × F) / (R I + R OBC), (6.3)
Rezolvând împreună expresiile 6.1 și 6.3 cu privire la n, se găsesc o expresie analitică pentru caracteristicile mecanice ale motorului n = F (M). Reprezentarea sa grafică este prezentată în Figura 6.1.
Orez. 6.1. Caracteristicile mecanice ale unui motor de curent continuu cu excitație mixtă
Punctul A corespunde motorului la ralanti cu viteza de rotație n o. Odată cu creșterea sarcinii mecanice, viteza de rotație scade, iar cuplul crește, atingând valoarea nominală M H în punctul B. În secțiunea BC, motorul funcționează cu suprasarcină. Curentul Iya depășește valoarea nominală, ceea ce duce la o încălzire rapidă a înfășurărilor armăturii și a OBC, iar scânteia pe colector crește. Momentul maxim M max (punctul C) este limitat de condițiile de funcționare ale colectorului și de rezistența mecanică a motorului.
Continuând caracteristica mecanică până când se intersectează în punctul D" cu axa cuplului, am obține valoarea cuplului de pornire atunci când motorul este conectat direct la rețea. EMF E este zero și curentul în circuitul armăturii, în conformitate cu formula 6.3, crește brusc.
Pentru a reduce curentul de pornire, la circuitul armăturii este conectat în serie un reostat de pornire Rx (Fig. 6.2) cu rezistență:
Rx = U H / (1,3...2,5) ×I Ya.N. - (R I - R obc), (6,4)
unde U h - tensiunea nominală a rețelei;
Eu Ya.N. - curent nominal de armătură.
Reducerea curentului de armatură la (1,3...2,5)×I Ya.N. asigură un cuplu inițial de pornire suficient Mn (punctul D). Pe măsură ce motorul accelerează, rezistența Rx este redusă la zero, menținând o valoare aproximativ constantă a Mp (secțiunea SD).
Reostatul R B din circuitul înfășurării de excitație paralelă (Fig. 6.2) vă permite să reglați mărimea fluxului magnetic Ф (formula 6.1). Înainte de a porni motorul, acesta este îndepărtat complet pentru a obține cuplul de pornire necesar la un curent minim de armătură.
Folosind formula 6.3, determinăm turația motorului
n = (U - I I (R I + R obc + Rx)) / (С Ф), (6,5)
în care R I, R obc și C sunt constante, iar U, I I și F pot fi modificate. De aici urmează trei moduri posibile de a controla turația motorului:
Modificarea mărimii tensiunii de intrare;
Prin modificarea valorii curentului de armătură cu ajutorul reostatului de reglare Rx, care, spre deosebire de cel de pornire, este calculat pentru funcționare continuă;
Prin modificarea mărimii fluxului magnetic de excitație F, care este proporțional cu curentul din înfășurările OVSH și OVSS. Într-o înfășurare paralelă, se poate regla cu un reostat R b. Rezistența R b se ia în funcție de limitele de reglare a vitezei necesare R B =(2...5) R obsh.
Plăcuța de identificare a motorului indică viteza nominală, care corespunde puterii nominale de pe arborele motorului la tensiunea nominală de rețea și rezistențelor de ieșire ale reostatelor R X și R B .
Orice motor electric este proiectat pentru a efectua lucrări mecanice datorită consumului de energie electrică aplicat acestuia, care este convertită, de regulă, în mișcare de rotație. Deși în tehnologie există modele care creează imediat mișcarea de translație a corpului de lucru. Se numesc motoare liniare.
În instalațiile industriale, motoarele electrice antrenează diverse mașini și dispozitive mecanice implicate în procesul tehnologic de producție.
În interiorul aparatelor electrocasnice, motoarele electrice alimentează mașinile de spălat, aspiratoarele, computerele, uscătorul de păr, jucăriile pentru copii, ceasurile și multe alte dispozitive.
Procese fizice de bază și principiu de funcționare
Sarcinile electrice care se deplasează în interior, care se numesc curent electric, sunt întotdeauna afectate de o forță mecanică care tinde să-și devieze direcția într-un plan situat perpendicular pe orientarea liniilor magnetice de forță. Atunci când un curent electric trece printr-un conductor metalic sau o bobină realizată din acesta, această forță tinde să miște / roti fiecare conductor purtător de curent și întreaga înfășurare în ansamblu.
Imaginea de mai jos prezintă un cadru metalic prin care trece curentul. Câmpul magnetic aplicat acestuia creează o forță F pentru fiecare ramură a cadrului, care creează o mișcare de rotație.
Această proprietate a interacțiunii energiei electrice și magnetice bazată pe crearea unei forțe electromotoare într-un circuit închis care poartă curent este pusă în funcțiune a oricărui motor electric. Designul său include:
înfăşurare prin care trece curentul electric. Este plasat pe un miez-ancoră special și fixat în rulmenți de rotație pentru a reduce contracararea forțelor de frecare. Acest design se numește rotor;
un stator care creează un câmp magnetic care, cu liniile sale de forță, străbate sarcinile electrice care trec prin spirele înfășurărilor rotorului;
carcasa pentru stator. În interiorul carcasei sunt realizate prize speciale de aterizare, în interiorul cărora sunt montate cuștile exterioare ale rulmenților rotorului.
Simplificat, designul celui mai simplu motor electric poate fi reprezentat printr-o imagine de forma următoare.
Când rotorul se rotește, se creează un cuplu, a cărui putere depinde de proiectarea generală a dispozitivului, de mărimea energiei electrice aplicate și de pierderile acesteia în timpul transformărilor.
Valoarea cuplului maxim posibil al motorului este întotdeauna mai mică decât energia electrică aplicată acestuia. Se caracterizează prin valoarea factorului de eficiență.
Tipuri de motoare electrice
În funcție de tipul de curent care curge prin înfășurări, acestea sunt împărțite în motoare DC sau AC. Fiecare dintre aceste două grupuri are un număr mare de modificări folosind procese tehnologice diferite.
motoare de curent continuu
Au un câmp magnetic statoric creat de electromagneți fixați permanent sau speciali cu înfășurări de excitație. Înfășurarea armăturii este montată rigid în arbore, care este fixat în rulmenți și se poate roti liber în jurul propriei axe.
Dispozitivul principal al unui astfel de motor este prezentat în figură.
Pe miezul armăturii din materiale feromagnetice se află o înfășurare formată din două părți conectate în serie, care la un capăt sunt conectate la plăci colectoare conductoare, iar la celălalt capăt sunt comutate între ele. Două perii de grafit sunt situate la capete diametral opuse ale armăturii și sunt presate pe plăcuțele de contact ale plăcilor colectoare.
Un potențial pozitiv al unei surse de curent constant este furnizat periei inferioare a modelului și negativ periei superioare. Direcția curentului care curge prin înfășurare este indicată de săgeata roșie punctată.
Curentul provoacă câmpul magnetic al polului nord în partea stângă jos a armăturii, iar polul sud în dreapta sus (regula gimlet). Acest lucru duce la respingerea polilor rotorului de cei staționari cu același nume și atragerea către poli opuși ai statorului. Ca urmare a forței aplicate, are loc o mișcare de rotație, a cărei direcție este indicată de săgeata maro.
Odată cu rotirea în continuare a armăturii, prin inerție, polii trec pe alte plăci colectoare. Direcția curentului în ele este inversată. Rotorul continuă să se rotească în continuare.
Designul simplu al unui astfel de dispozitiv colector duce la pierderi mari de energie electrică. Astfel de motoare funcționează în dispozitive cu un design simplu sau jucării pentru copii.
Motoarele de curent continuu implicate în procesul de producție au un design mai complex:
înfășurarea nu este împărțită în două, ci în mai multe părți;
fiecare secțiune de înfășurare este montată pe propriul stâlp;
dispozitivul colector este realizat cu un anumit număr de plăcuțe de contact în funcție de numărul de secțiuni de înfășurare.
Drept urmare, se creează o conexiune lină a fiecărui pol prin plăcile sale de contact la perii și la sursa de curent, iar pierderile de putere sunt reduse.
Dispozitivul unei astfel de ancore este prezentat în imagine.
La motoarele electrice cu curent continuu, sensul de rotație al rotorului poate fi inversat. Pentru a face acest lucru, este suficient să schimbați mișcarea curentului în înfășurare în sens opus prin schimbarea polarității la sursă.
motoare de curent alternativ
Ele diferă de modelele anterioare prin faptul că curentul electric care curge în înfășurarea lor este descris prin schimbarea periodică a direcției (semnului). Pentru a le alimenta, tensiunea este furnizată de la generatoare cu o valoare variabilă de semn.
Statorul unor astfel de motoare este realizat printr-un circuit magnetic. Este realizat din plăci feromagnetice cu caneluri în care sunt plasate spire de înfășurare cu configurație cadru (bobină).
Motoare sincrone
Poza de mai jos arată Principiul de funcționare al motorului AC monofazat cu rotaţia sincronă a câmpurilor electromagnetice ale rotorului şi statorului.
În canelurile circuitului magnetic stator, la capete diametral opuse, sunt amplasate conductoare de înfăşurare, reprezentate schematic sub forma unui cadru prin care circulă curent alternativ.
Luați în considerare cazul pentru momentul de timp corespunzător trecerii părții pozitive a semi-undei sale.
În cuștile rulmenților, un rotor cu magnet permanent încorporat se rotește liber, în care polii nordici „N gura” și sudul „S gura” sunt pronunțați. Când o jumătate de undă pozitivă de curent trece prin înfășurarea statorului, se creează în ea un câmp magnetic cu poli „S st” și „N st”.
Între câmpurile magnetice ale rotorului și stator apar forțe de interacțiune (polii cu același nume se resping, iar polii opuși se atrag), care tind să transforme armătura motorului electric dintr-o poziție arbitrară în cea finală, când polii opuși sunt cât mai aproape unul de celălalt.
Dacă luăm în considerare același caz, dar pentru momentul de timp în care semiunda inversă - negativă a curentului curge prin conductorul cadru, atunci rotația armăturii va avea loc în sens opus.
Pentru a da o mișcare continuă rotorului în stator, nu se realizează o înfășurare a cadru, ci un anumit număr dintre ele, astfel încât fiecare dintre ele să fie alimentat de o sursă de curent separată.
Principiul de funcționare al unui motor trifazat de curent alternativ cu rotație sincronă câmpurile electromagnetice ale rotorului și statorului sunt prezentate în imaginea următoare.
În acest design, trei înfășurări A, B și C sunt montate în interiorul circuitului magnetic al statorului, deplasate la unghiuri de 120 de grade una față de cealaltă. Înfăşurarea A este evidenţiată cu galben, înfăşurarea B este verde, iar înfăşurarea C este roşie. Fiecare infasurare este realizata cu aceleasi rame ca in cazul precedent.
În imagine pentru fiecare caz, curentul trece printr-o singură înfășurare în direcția înainte sau înapoi, care este indicată de semnele „+” și „-”.
Odată cu trecerea unei semiunde pozitive în faza A în direcția înainte, axa câmpului rotorului ia o poziție orizontală deoarece polii magnetici ai statorului se formează în acest plan și atrag armătura în mișcare. Polii opuși ai rotorului tind să se apropie de polii statorului.
Când semiunda pozitivă merge în faza C, armătura se va roti cu 60 de grade în sensul acelor de ceasornic. După ce curentul este aplicat fazei B, va avea loc o rotație similară a armăturii. Fiecare flux de curent următor în următoarea fază a următoarei înfășurări va roti rotorul.
Dacă la fiecare înfășurare este adusă o tensiune a unei rețele trifazate deplasată de-a lungul unui unghi de 120 de grade, atunci în ele vor circula curenți alternativi, care vor derula armătura și vor crea rotația sa sincronă cu câmpul electromagnetic aplicat.
Același design mecanic a fost aplicat cu succes în motor pas cu pas trifazat. Numai în fiecare înfășurare, cu ajutorul controlului, impulsurile DC sunt furnizate și îndepărtate conform algoritmului descris mai sus.
Lansarea lor începe o mișcare de rotație, iar terminarea la un anumit moment în timp asigură o rotație dozată a arborelui și o oprire la un unghi programat pentru a efectua anumite operații tehnologice.
În ambele sisteme trifazate descrise, este posibilă schimbarea direcției de rotație a armăturii. Pentru a face acest lucru, trebuie doar să schimbați secvența de faze "A" - "B" - "C" cu alta, de exemplu, "A" - "C" - "B".
Viteza de rotație a rotorului este reglată de durata perioadei T. Reducerea acestuia duce la o accelerare a rotației. Amplitudinea curentului în fază depinde de rezistența internă a înfășurării și de valoarea tensiunii aplicate acesteia. Acesta determină cantitatea de cuplu și puterea motorului electric.
Motoare asincrone
Aceste modele de motoare au același circuit magnetic stator cu înfășurări ca în modelele considerate anterior monofazate și trifazate. Și-au primit numele din cauza rotației nesincrone a câmpurilor electromagnetice ale armăturii și statorului. Acest lucru a fost realizat prin îmbunătățirea configurației rotorului.
Miezul său este format din plăci de oțel de calitate electrică cu caneluri. În ele sunt montate conductoare de aluminiu sau cupru, care sunt închise prin inele conductoare la capetele armăturii.
Când se aplică tensiune în înfășurările statorului, un curent electric este indus în înfășurarea rotorului de o forță electromotoare și se creează un câmp magnetic al armăturii. Când aceste câmpuri electromagnetice interacționează, începe rotația arborelui motorului.
Cu acest design, mișcarea rotorului este posibilă numai după ce în stator a apărut un câmp electromagnetic rotativ și acesta continuă într-un mod de funcționare asincron cu acesta.
Motoarele asincrone au un design mai simplu. Prin urmare, sunt mai ieftine și utilizate pe scară largă în instalații industriale și electrocasnice.
Motoare liniare
Multe corpuri de lucru ale mecanismelor industriale efectuează mișcare alternativă sau de translație într-un singur plan, care este necesară pentru funcționarea mașinilor de prelucrare a metalelor, vehiculelor, loviturilor de ciocan atunci când conduc piloți ...
Mutarea unui astfel de corp de lucru cu ajutorul cutiilor de viteze, șuruburilor cu bile, transmisiilor cu curele și dispozitivelor mecanice similare de la un motor electric rotativ complică proiectarea. Soluția tehnică modernă la această problemă este funcționarea unui motor electric liniar.
Statorul și rotorul său sunt alungite sub formă de benzi și nu sunt pliate în inele, ca în motoarele electrice rotative.
Principiul de funcționare este de a conferi o mișcare liniară alternativă rotorului-rotor datorită transferului de energie electromagnetică de la un stator fix cu un circuit magnetic deschis de o anumită lungime. În interiorul acestuia, pornind la rândul său curentul, se creează un câmp magnetic de călătorie.
Acționează asupra înfășurării armăturii cu colectorul. Forțele care apar într-un astfel de motor mișcă rotorul numai într-o direcție liniară de-a lungul elementelor de ghidare.
Motoarele liniare sunt proiectate să funcționeze pe curent continuu sau alternativ și pot funcționa în mod sincron sau asincron.
Dezavantajele motoarelor liniare sunt:
complexitatea tehnologiei;
preț mare;
performanță energetică scăzută.