2.15. Универсальные коллекторные двигатели

В устройствах автоматики и различных электробытовых приборах широко применяют универсальные коллекторные двигатели мощностью от нескольких ватт до нескольких сотен ватт, которые могут работать от источника как постоянного, так и однофазного тока.

Устройство двигателя. Универсальный коллекторный двигатель устроен принципиально так же, как и двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением. Отличие универсального двигателя от машины постоянного тока состоит в том, что магнитная система выполнена полностью шихтованной, а катушки обмотки возбуждения имеют две секции и промежуточные выводы. Выполнение статора и ротора машины шихтованными обусловлено тем, что при работе на переменном токе они пронизываются переменным магнитным потоком; секционирование же обмотки возбуждения вызвано тем, что в этом режиме из-за падения напряжения в индуктивном сопротивлении двигателя номинальная частота вращения оказывается меньшей, чем при работе на постоянном токе: Для выравнивания частот вращения при работе на постоянном токе в цепь якоря включают все витки обмотки возбуждения, а при работе на переменном токе — только часть их, вследствие чего соответственно уменьшается магнитный поток машины.

Рис. 2.104 - Схема включения универсального коллекторного двигателя

В универсальных коллекторных двигателях, выпускаемых отечественной промышленностью, обмотку возбуждения разделяют на две части и включают с обеих сторон якоря. Такое включение (симметрирование обмотки) позволяет уменьшить радиопомехи, создаваемые двигателем.

При работе на постоянном токе универсальный коллекторный двигатель ведет себя так же, как двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением. Работа же двигателя на переменном токе имеет ряд специфических особенностей.

Электромагнитный момент при работе на переменном токе. В рассматриваемом режиме ток якоря i_a и магнитный поток Ф изменяются по синусоидальному закону:

; (2.104)

, (2.105)

где γ — угол, возникающий из-за потерь мощности в стали. Мгновенное значение электромагнитного момента

. (2.106)

Графики изменения тока i_a, магнитного потока Ф и электромагнитного момента т показаны на рис. 2.105, а. Очевидно, что момент двигателя можно представить в виде двух составляющих: постоянной

(2.107а)

и переменной, которая изменяется с двойной частотой,

(2.107б)

Рис. 2.105 - Графики изменения тока, потока и

электромагнитного момента универсального коллекторного двигателя и

его векторная диаграмма при работе на переменном токе

Электромагнитный момент двигателя является переменным, а в отдельные промежутки времени даже тормозным, однако якорь двигателя вращается с равномерной частотой, так как он имеет сравнительно большой момент инерции. Среднее значение момента

Характеристики двигателя при работе на переменном токе.

Векторная диаграмма однофазного коллекторного двигателя (рис. 2.106, б) строится на основании уравнения

(2.108)

где ∑r и ∑x —суммы активных и реактивных сопротивлений в цепи обмотки якоря.

Э. д. с, индуктируемая в обмотке якоря,

, (2.109)

.

Из (6.109) можно получить зависимость частоты вращения от тока якоря:

. (2.110)

На основании (2.108) и (2.109) строятся зависимости n = f(I_а), M = f(I_a) и n= f(M). Так как способ возбуждения машины при работе на постоянном и переменном токе остается неизменным, а формулы (2.108) и (2.109) для частоты вращения n и момента М имеют такую же структуру, как и формулы (2.76) и (2.77а), механические характеристики двигателя при работе в двух указанных режимах будут приблизительно одинаковыми. Однако при переменном токе в числителе (2.109) появляется дополнительный член jİ_а∑x сдвигающий механическую характеристику двигателя в область более низких частот вращения (рис. 2.106, а, кривая 2). Для того чтобы приблизить ее к механической характеристике, имеющей место при работе на постоянном токе (кривая 1), часть витков обмотки возбуждения при переходе на питание переменным током отключают, т. е. уменьшают магнитный поток машин. При этом обеспечивается одинаковая номинальная частота вращения двигателя в обоих режимах работы (кривая 3).

Рис. 2.106 - Механические и рабочие характеристики

универсального коллекторного двигателя

В связи с уменьшением магнитного потока двигателя при работе на переменном токе его магнитная система оказывается менее насыщенной, чем при работе на постоянном токе. Поэтому при работе в рассматриваемом режиме зависимость M = f(I_a) приближается к параболической; зависимость n = f(I_a) к гиперболической в большем диапазоне изменения тока, чем при постоянном токе, а механическая характеристика становится более мягкой.

Рабочие характеристики двигателя при его работе на постоянном (сплошные линии) и переменном (штриховые линии) токе имеют приблизительно одинаковую форму. При переменном токе ток якоря больше, чем при постоянном токе, из-за появления реактивной составляющей и увеличения активной составляющей вследствие возрастания потерь в стали. По этим же причинам к. п. д. двигателя при переменном токе меньше, чем при постоянном.

Регулирование частоты вращения при работе на постоянном токе осуществляют путем включения в цепь якоря реостата, изменения питающего напряжения и тока возбуждения (путем шунтирования обмотки возбуждения реостатом). При переменном токе регулирование частоты вращения осуществляют в основном изменением питающего напряжения; реже—включением реостата в цепь якоря.

Рис.2.107 - Возникновение реактивной и трансформаторной э. д. с.

в универсальном коллекторном двигателе

Коммутация при работе на переменном токе. В этом случае в коммутируемой секции кроме реактивной э. д. с. е_р индуктируется еще трансформаторная э.д.с. е_тр, так как эта секция пронизывается переменным магнитным потоком. Реактивная э.д.с. возникает так же, как и в машине постоянного тока, в результате изменения тока i_a в коммутируемой секции при переходе ее из одной параллельной ветви в другую. Однако в данном случае токи +i_a и –i_a в каждой параллельной ветви (рис. 2.107, а) не остаются постоянными, а изменяются по синусоидальному закону .

Следовательно, реактивная э.д.с. e_р, пропорциональная производной di/dt, будет зависеть от величины тока i_a в момент коммутации, т. е. в разные моменты времени она будет различной. Если пренебречь периодом коммутации Т_к по сравнению с временем Т₀ между двумя последовательными коммутациями, то можно считать, что производная

, (2.111)

а реактивная э.д.с.

, (2.112)

где — максимальное значение реактивной э.д.с, которое имеет место при максимальном токе якоря I_am.

Таким образом, реактивная э. д.с. совпадает по фазе с током якоря. Она пропорциональна частоте вращения n (период коммутации Т_к обратно пропорционален n) и току якоря I_а, так же как в машинах постоянного тока.

Трансформаторная э.д.с. индуктируется в коммутируемой секции переменным магнитным потоком машины. Так как магнитный поток изменяется по закону Ф = Ф_msinωt, то при установке щеток на геометрической нейтрали

, (2.113)

где ω_c — число витков в секции.

Следовательно, если не учитывать небольшого угла γ, то она будет сдвинута относительно реактивной э. д. с. на 90°. Результирующая э.д.с. в коммутируемой секции будет изменяться по синусоидальному закону и в некоторые моменты времени будет иметь максимальное значение

. (2.114)

Установка дополнительных полюсов обеспечивает компенсацию реактивной э.д.с. Трансформаторная же э.д.с. остается нескомпенсированной и создает добавочный ток, замыкающийся через щетки. Это ухудшает коммутацию машины, а следовательно, может вызвать опасное искрение и значительные радиопомехи. Особенно неблагоприятные условия возникают при пуске двигателя, когда трансформаторная э. д. с. достигает большой величины из-за увеличенных значений пускового тока и потока возбуждения.

По указанной причине коллекторные машины переменного тока средней и большой мощностей не получили широкого применения. В коллекторных двигателях малой мощности трансформаторная э.д.с. невелика и практически не ограничивает его нагрузку, как это имеет место в более мощных машинах. Однако срок службы щеток, коллектора и всей машины при работе на переменном токе сокращается по сравнению со сроком службы на постоянном токе.