6.2. Основные понятия

Для работы двигателя постоянного тока необходим преобра­зователь переменного тока в постоянный. Наличие такого пре­образователя усложняет и удорожает установку, снижает ее на­дежность. Но в то же время двигатели постоянного тока обла­дают хорошими регулировочными свойствами, чего лишены бесколлекторные двигатели переменного тока.

Стремление получить двигатель с хорошими регулировочны­ми свойствами, но работающий от сети переменного тока при­вело к созданию коллекторных двигателей переменного тока.

Эти двигатели могут быть однофазными и трехфазными. Они допускают плавное и в широких пределах регулирование частоты вращения при сохранении высокого коэффициента мощности. Однако эти двигатели имеют тяжелые условия коммута­ции, конструктивно сложнее и дороже бесколлекторных двига­телей переменного тока. Указанные недостатки ограничивают применение коллекторных двигателей переменного тока средней и большой мощности.

Наибольшее распространение получили универсальные коллекторные двигатели, работающие как от сети постоянного тока, так и от сети переменного тока.

6.3. Однофазный коллекторный двигатель последовательного возбуждения

Коллекторный электродвигатель постоянного тока может работать от сети переменного тока, так как в этом случае изменение направления токов в обмотке якоря и в об­мотке возбуждения происходит одновременно; также одновре­менно меняются направления (знаки) тока якоря I_а и магнит­ного потока возбуждения Ф.

В итоге среднее значение электромагнитного момента за период остается положительным:

.

Возможность работы коллекторного двигателя от сети пере­менного тока иллюстрируется рис. 6.1, где показано, что при переходе от положительного полупериода переменного тока к отрицательному направление электромагнитного момента сохраняется неизменным.

Однофазные коллекторные двигатели преимущественно имеют последовательное возбуждение.

Применение параллельного возбуждения в данном случае ограничивается тем, что значительная индуктивность парал­лельной обмотки возбуждения, которая отличается от последова­тельной обмотки большим числом витков, создает значительный сдвиг фаз между током якоря и током возбуждения на угол (см. рис. 6.2, а).

Рис. 6.1. Одновременное изменение направления тока

в обмотке возбуждения и в обмотке якоря не влияет

на направление электромагнитного момента

Среднее значение электромагнитного момента в этом случае определяется выражением, учитывающим угол сдвига фаз между током якоря и магнитным потоком:

,

где – максимальное значение магнитного потока;

– угол сдвига фаз между током якоря и током воз­буждения;

– угол сдвига фаз между током возбуждения и маг­нитным потоком, обусловленный наличием маг­нитных потерь в машине.

В электродвигателе последовательного возбуждения ток якоря и ток возбуждения совпадают по фазе и угол сдвига фаз (см. рис. 6.2, б). Поэтому среднее значение электромагнитного вращающего момента в двигателе последовательного возбуждения М_ПОСЛ боль­ше, чем в двигателе параллельного возбуждения:

.

а

б

Рис. 6.2. Схемы вклю­чения и векторные диаграммы коллекторных

двигателей параллельного (а) и последовательного (б) возбуждения

при включении в сеть переменного тока

По своей конструкции однофазные коллекторные двигатели отличаются от двигателей постоянного тока тем, что их станина и главные полюса делаются шихтованными из листовой электро­технической стали. Это дает возможность сократить магнитные потери, которые при работе двигателя от сети переменного тока повышаются, так как переменный ток в обмотке возбуждения вызывает перемагничивание всей магнитной цепи машины, включая станину и сердечники полюсов.

Основным недостатком однофазных коллекторных двигате­лей являются тяжелые условия коммутации. Дело в том, что в коммутирующих секциях помимо реактивной ЭДС е_р и ЭДС внешнего поля е_к наводится трансформаторная ЭДС е_т, действующее значение которой

,

где – частота переменного тока в обмотке возбуждения;

– число витков в секции.

Возникновение указанной трансформаторной ЭДС объясняется тем, что пере­менный ток в обмотке возбуждения создает переменный магнит­ный поток, который пронизывает коммутирующие секции и на­водит в них ЭДС.

Для уменьшения трансформаторной ЭДС необходимо уменьшить поток Ф_МАКС, а чтобы мощность двигателя при этом осталась прежней, увеличить число полюсов в двигателе.

Применение в обмотке якоря двигателя одновитковых секций также способствует ограничению величины ЭДС Е_Т. Но при этом увеличивается количество пластин в коллекторе, а, следо­вательно, возрастают его размеры.

При помощи добавочных полюсов с обмоткой, включенной последовательно в цепь якоря, в коммутирующих секциях со­здают ЭДС е_к, частично компенсирующую ЭДС е_р и е_т. Одна­ко полной взаимной компенсации указанных ЭДС можно до­биться только при определенных значениях тока якоря и частоты вращения. При других режимах работы двигателя усло­вия коммутации остаются тяжелыми. В момент пуска двигателя в ход условия коммутации наиболее тяжелы, так как в этот момент ЭДС вращения равна нулю, а ЭДС е_р и е_т достигают наибольших значений.

Регулировать частоту вращения однофазного коллекторного двигате ля можно теми же способами, что и в двигателях постоянного тока последовательного возбуждения. Наряду с этим принято регулировать частоту вращения изменением подводимого к двигателю напряжения посредством регулировочного трансформатора.

Изменение направления вращения однофазных коллектор­ных двигателей осуществляется так же, как и в двигателях постоянного тока, переключением концов обмотки возбуж­дения (либо концов обмотки якоря).

Однофазные коллекторные двигатели малой мощности (до 150 Вт) не имеют ни компенсационной обмотки, ни добавоч­ных полюсов, так как при малой мощ­ности и при частоте питающего тока 50 Гц условия коммутации и без того получа­ются удовлетворительными.

Эти двигатели могут работать как от сети постоянного тока, так и от сети пе­ременного тока, а поэтому их называют универсальными коллекторными двигателями.

В универсальном коллекторном двигателе стремятся получить примерно оди­наковые частоты вращения при номинальной нагрузке как при постоянном, так и при переменном токе. Достигается это тем, что обмотку возбуждения электродвигателя выполняют с ответвлениями: при работе двигателя от сети постоянного тока обмот­ка возбуждения используется полностью, а при работе от сети переменного тока включается лишь часть обмотки возбуждения (см. рис. 6.3).

Рис. 6.3. Схема универсального коллекторного двигателя

Кроме того, изменение числа витков обмотки возбуждения при работе от сетей постоянного и переменного тока дает возможность не­сколько сблизить характеристики двигателя при постоянном и переменном токе. Расхождения в характеристиках объясняют­ся тем, что при работе электродвигателя от сети переменного тока на величину и фазу тока оказывают влияние индуктивные сопротивления обмоток якоря и возбуждения. Однако уменьше­ние числа витков обмотки возбуждения обеспечивает сближение характеристик лишь при нагрузке, близкой к номинальной.

В табл. 6.1 приведены данные универсального коллектор­ного двигателя типа УМТ-22. Устройство этого двигателя пред­ставлено на рис. 6.4.

Таблица 6.1