Лавриненко В.А. (сост.). Электрические двигатели для бытовой техники

Подождите немного. Документ загружается.

6. От каких величин зависит напряжение на конденсаторе в конден-

саторном двигателе?

7. Какое влияние на работу двигателя оказывает обратное магнитное

поле?

8. Почему двигатели с одной обмоткой на статоре не имеют пуско-

вого момента?

9. За счет чего увеличивается пусковой момент конденсаторного

двигателя при включении конденсатора, емкость которого превосходит

емкость, обеспечивающую круговое вращающееся поле в номинальном

режиме?

10. В каких случаях невозможно получить круговое поле с помощью

дополнительного резистора и конденсатора в конденсаторном двигате-

ле с двумя обмотками?

11. Сравните технические характеристики ОАД с различными фа-

зосдвигающими элементами.

12. Назовите причины ухудшения технических характеристик ОАД

по сравнению с характеристиками трехфазного АД.

13. Как осуществляется реверс КАД? Как перевести асинхронную

машину в генераторный режим работы с самовозбуждением?

14. Как изменяется вид механической характеристики КАД при раз-

личных способах управления?

15. Как можно проверить опытным путем, что в КАД создается

круговое вращающееся поле?

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические ма-

шины и микромашины. М.: Высш. шк., 1990. С. 129-138; 232-236.

2. Волков Н.И., Миловзоров В.П. Электромашинные устройства ав-

томатики. М.: Высш.шк., 1986. С. 137-142; 164-169.

3. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1978.

4. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Энергия,

1980. С.238-241; 450-460.

5. Испытание электрических микромашин: Учеб. пособие для элек-

тротехн. спец. втузов / Под ред. Н.В. Астахова. М.: Высш.шк., 1984.

С.75-87.

6. Копылов И.П. Электрические машины. М.:Энергоатомиздат,1986.

7. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. Л.:

Энергия, 1973. Т.2.

8. Петров Г.Н. Электрические машины. М.: Энергия, 1963. Ч.2.

9. Токарев Б.Ф. Электрические машины. М.: Энергоатомиздат, 1990.

С. 172-183; 313-321.

10. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических уст-

ройств. М.: Высш.шк., 1988. С. 17-101.

11. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. Т. 2 / Под общ.

ред. И.П.Копылова, Б.К.Клокова.М.:Энергоатомиздат, 1989. С.635-670.

12. Электротехнический справочник. В 3 т. Т. 3: В 2 кн. Кн.2.:

Использование электрической энергии. 7-е изд., испр. и доп. М.:

Энергоатомиздат, 1988. С. 534-550.

13. Лавриненко В.А. Анализ характеристик регулируемых асин-

хронных микродвигателей бытового назначения. Электротехника.1994.

№ 1. C. 15-18.

14. Лавриненко В.А. Расчет дополнительных электромагнитных мо-

ментов однофазного асинхронного двигателя // Динамика нелинейных

дискретных электротехнических и электронных систем: Материалы III

Всерос. науч.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1999.

С.127-128.

15. Промышленная электроника: Лабораторный практикум /

Сост.И.А.Галкин, Н.И.Шаварин, В.А.Лавриненко. Чебоксары: Изд-во

Чуваш. ун-та, 1992. 48 с.

16. Асинхронные машины: Метод. указания к лаб. работам / Сост.

Е.И. Ефименко, В.А.Лавриненко. Чебоксары. 1995. 40 с.

17. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение

электрических схем по ЕСКД: Справочник.М.: Изд-во стандартов,

1989.

18. ГОСТ 27471-87. Машины электрические вращающиеся.Термины

и определения.

19. ГОСТ 27471-87. Машины электрические. Общие технические

требования.

20. ГОСТ 26772-85. Машины электрические вращающиеся. Обо-

значения выводов и направление вращения.

21. ГОСТ 16264-85. Электродвигатели малой мощности общего

назначения. Общие технические условия.

Лабораторная работа № 27

ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЛЕКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Цель работы - изучение свойств коллекторного двигателя перемен-

ного тока в процессе экспериментального исследования его техниче-

ских характеристик.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Коллекторный двигатель (КД) переменного тока (англ. - alternating

current commutator motor) - вращающийся электродвигатель, у которого

обмотка якоря соединена с коллектором и включена в цепь переменно-

го тока.

Достоинствами КД являются высокий пусковой и вращающий мо-

менты при небольших пусковых токах, возможность получения высо-

кой частоты вращения (до 30000-40000 об/мин) при питании от про-

мышленной сети и ее плавного регулирования в большом диапазоне,

сравнительно высокий КПД, малые габариты и масса.

К недостаткам КД следует отнести сложность эксплуатации по

причине износа коллектора и щеток, повышенный уровень шума, ра-

диопомехи, значительное искрение под щетками из-за плохой комму-

тации на переменном токе, более высокую стоимость по сравнению с

асинхронным двигателем.

КД переменного тока мощностью от нескольких единиц до двух ты-

сяч ватт применяют там, где при промышленной частоте 50 Гц тре-

буется получить частоту вращения больше 3000 об/мин: в устройствах

автоматики, телеграфных аппаратах, медицинской технике, а также в

быту. КД могут работать как от сети постоянного, так и переменного

тока (универсальные коллекторные двигатели серий МУН, УЛ, УМТ и

др.).

 Приведите примеры бытовых приборов, в которых используется кол-

лекторный двигатель.

2. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Конструкция рассматриваемого двигателя подобна машине посто-

янного тока с последовательной обмоткой возбуждения без дополни-

тельных полюсов и компенсационной обмотки. Отличие состоит лишь

в том, что не только магнитопровод ротора 8, но и станина 4 вместе с

полюсами 5 набирается из листовой электротехнической стали для

уменьшения потерь на вихревые токи от переменного во времени маг-

нитного потока. КД выпускаются, как правило, двухполюсными

(рис.1).

Особенностью конструкции якоря КД мощностью в десятки ватт

является малое число пазов. При малом числе пазов, особенно у якорей

малой длины трудно выполнять скос пазов, который должен быть ра-

вен зубцовому делению с целью устранения пульсаций магнитного по-

тока и реактивных моментов, действующих на якорь.

Кроме того, при скосе пазов на одно зубцовое деление и малом чис-

ле пазов увеличиваются расход меди и реактивная э.д.с., которая наво-

дится в секциях обмотки и ухудшает коммутацию. С целью устранения

указанных недостатков в КД малой мощности, особенно с малым чис-

Рис. 1. Конструкция коллекторного двигателя малой мощности:

1,6 -подшипниковые щиты; 2 - щетки; 3 - катушка обмотки возбуждения;

4 - станина; 5 - магнитный полюс; 7 - вал; 8 - сердечник ротора; 9 - полюсный

наконечник; 10 - обмотка ротора; 11 - коллектор; 12 - подшипник качения

лом зубцов якоря, необходимо правильно выбирать ширину полюсов

машины. Оптимальной полюсной дугой, способствующей уменьшению

зубцовых пульсаций магнитного потока и реактивных моментов, явля-

ется полюсная дуга, примерно равная целому числу зубцовых делений

якоря - чуть меньше целого числа зубцовых делений на величину вы-

пучивания магнитного потока под краями полюса.

Коллекторы двигателей малой мощности, как правило, имеют пла-

стмассовую основу (рис. 2, б, в, г). Лишь в высокоскоростных двигате-

лях применяются коллекторы, аналогичные коллекторам крупных элек-

трических машин (рис. 2, а). Иногда для увеличения прочности коллек-

торы снабжаются специальными армирующими кольцами (рис. 2, б).

В последние годы в микроэлектромашиностроении получили широкое

распространение так называемые крючковые коллекторы (рис. 2, д),

особенность которых состоит в том, что коллекторные пластины вме-

сто петушков имеют крючки (рис.2, д). Применение крючковых кол-

лекторов позволяет полностью механизировать обмоточные работы при

изготовлении якорей КД. Процессы намотки секций (катушек) обмотки

и укладки их в пазы якоря совмещаются.

Секции обмотки с определенным шагом наматываются на специ-

альном обмоточном станке непосредственно на зубцы якоря и оказы-

ваются, таким образом, сразу в соответствующих пазах. При переходе

от намотки одной секции к другой обмоточный станок делает петлю,

которая охватывает крючок коллектора. После изготовления всех сек-

ций обмотки якоря крючки коллектора прижимаются вместе с распо-

ложенными на них петлями к пластинам коллектора и привариваются к

ним. При этом изоляция провода, образующего петли, в местах сопри-

косновения его с внутренними поверхностями крючков разрушается.

Концы секций обмотки якоря электрически надежно соединяются с со-

ответствующими коллекторными пластинами.

Рис.2. Конструкции коллекторов микродвигателей: 1 - коллекторные пластины;

2 - пластмасса; 3 - сталь; 4 - миканит; 5 - армирующие кольца

При проектировании КД тщательно подбираются щетки с учетом

условий эксплуатации и параметров двигателя для обеспечения безы-

скровой коммутации. Качество щеток определяется переходным со-

противлением, коэффициентом трения, износоустойчивостью, допус-

тимой плотностью тока и т.п. В настоящее время коллекторы и магни-

топроводы иногда изготовляются металлокерамическими (путем прес-

сования и спекания металлических порошков). В этом случае техноло-

гия изготовления машин является безотходной.

Если включить двигатель постоянного тока параллельного или по-

следовательного возбуждения в сеть переменного тока, его поток возбу-

ждения и ток якоря меняют свои знаки одновременно (рис. 3). Следо-

вательно, среднее значение вращающего момента двигателя будет по-

ложительным: М =k(

)

)(







I>0. Если ток якоря

и магнитный поток

возбуждения

изменяются по синусоидальному закону, т.е. i=I

sin





sin(





), тогда мгновенное значение электромагнитного момента

M=c



sin(





)sin(



t)=



cos





cos(2





), (1)

где



- угол между током и магнитным потоком возбуждения, обуслов-

ленный потерями в стали;

c =pN/2

a - коэффициент, зависящий от

конструктивных параметров машины; p - число пар полюсов; N - число

активных проводников обмотки якоря; a - число пар параллельных вет-

вей обмотки якоря.

Графики зависимостей

)

(



показаны на рис. 3.

Электромагнитный момент КД

содержит постоянную



ср

и переменную

составляющие.

M изменяется

во времени с удвоенной частотой

по отношению к частоте сети:





cos



. (2)



cos(2





). (3)

Рис. 3. Графики изменения во времени

тока якоря i, магнитного потока Ф и элек-

тромагнитного момента M при работе КД

от сети переменного тока

Электромагнитный момент изменяется в течение каждого периода,

достигая максимального значения (когда произведение



макси-

мально), становясь нулевым (при прохождении

или

через нуль) и

принимая отрицательные значения (когда

имеют разные знаки).

Величина отрицательного момента зависит от угла



. Вследствие

большой частоты и значительного момента инерции вращающихся

частей механизмов пульсации момента практически не оказывают

влияния на значение средней угловой скорости за один оборот.

 Покажите направление электромагнитного момента, действующего

на ротор двигателя, изображенного на рис. 4.

Ток i

, протекающий в обмотке возбуждения, создает пуль-

сирующий магнитный поток

(рис. 4.). Ток

i , распределяясь в об-

мотке якоря по двум параллельным ветвям, создает пульсирующий

магнитный поток

. При смещении щеток относительно оси геомет-

рической нейтрали на угол

можно разложить

на две составляю-

щие:

aad



sin

- продольный магнитный поток якоря;

aaq



cos

поперечный магнитный поток якоря.

Результирующий магнитный поток

Ф=

sin

наводит э.д.с. трансформации в обмотке возбуждения

Wf,

Φ444





и э.д.с. вращения в обмотке

якоря

вр

2Φ /nc

 ,

которая изменяется с часто-

той сети.

Здесь a/pNc





60 - по-

стоянная величина, n - час-

тота вращения, об/мин. По-

перечный поток якоря

замыкается через полюсные

наконечники статора и не

взаимодействует с обмоткой

Рис. 4. Поперечное сечение КД

возбуждения.

наводит в обмотке якоря э.д.с. трансформации

oaaqaq

kWf,E Φπ444





где

W =N/2a - число витков ветви, k



- обмоточный коэффици-

ент якоря. Кроме того, в каждой обмотке наводятся э.д.с. рассеяния

σa

E .

Напряжение U уравновешивается э.д.с. и падениями напряжений на

активных сопротивлениях последовательной обмотки возбуждения

, обмотки якоря

R и щеточного контакта R

щк



RRIEE

aaq

 (

щк

вр

. (4)

Этому уравнению соответствует векторная диаграмма, приведенная

на рис. 5. Из векторной диаграммы видно, что коэффициент мощности

КД тем больше, чем меньше э.д.с. трансформации

E =

, а

также э.д.с. рассеяния

E и чем больше угловая скорость якоря.

Если пренебречь углом потерь



, можно записать

ERRI

Вa



)Σ(

вр

cos

Угловая скорость якоря

mEВamEв

cRRIUcE Φ/)]Σ(cos[2Φ/2

 . (5)

 Э.д.с. вращения E

вр

уменьшилась. Как

изменятся значения тока якоря, по-

требляемой мощности и частоты

вращения двигателя?

При работе КД от сети постоянного

тока E



вр



вр

, а потребляемый

ток





, так как



. Для получе-

ния одинаковой частоты вращения при

работе КД на постоянном и переменном

токе необходимо, чтобы 2/Φ





Поэтому для увеличения магнитного

потока при работе КД от сети постоянно-

го тока размещают дополнительную об-

мотку возбуждения (рис. 6).

Рис.5. Векторная диаграмма КД

при работе от сети переменного

тока

По рабочим свой-

ствам КД переменно-

го тока близок к ана-

логичному двигате-

лю постоянного тока,

но имеет худшие

энергетические пока-

затели вследствие

увеличения потерь в

стали, интенсивного

искрения под щетка-

ми. Причина искре-

ния заключается в том, что в коммутируемой секции кроме э.д.с. вра-

щения E

и реактивной э.д.с. E

наводится переменным потоком по-

люсов

э.д.с. трансформации E

(рис. 7, б). Реактивная э.д.с. E

на-

водится в результате изменения тока i

в коммутируемой секции при

переходе ее из одной параллельной ветви в другую и пропорциональна

производной dtdi

(рис. 7, а). Если считать период коммутации T

ве-

личиной бесконечно малой по сравнению с временем

T между двумя

последовательными коммутациями, можно представить производную

 sin

Реактивная э.д.с.



рез



рез

t

sin





sin

где i

sin



, E

=2i

Для исключения искрения необходимо, чтобы

E +

вр

или

E +

вр

. Так как значения э.д.с.

E и

вр

прямо пропор-

циональны линейной скорости якоря, а э.д.с.

от нее не зависит,

выполнить это условие на практике не удается. Особенно тяжелые ус-

ловия для коммутации возникают при пуске, когда э.д.с.

достигает

Рис.6. Схема включения (а) и механические характе-

ристики (б) универсального коллекторного двигателя

при питании переменным (~) и постоянным (-) током

больших значений из-за увеличения потока, обусловленного возрас-

танием тока. Для уменьшения э.д.с.

необходимо увеличивать число

пластин коллектора и уменьшать число витков в секции обмотки якоря.

Для снижения тока в коммутируемых секциях следует выбирать щетки

с большим сопротивлением.

3. СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ РАДИОПОМЕХ

Пульсации выпрямленного напряжения и наличие в коммутируемой

катушке нескомпенсированной э.д.с. приводят к неудовлетворительной

коммутации и, как следствие, к значительным радиопомехам. Номера

гармоник и их амплитуды в кривой выпрямленного напряжения преоб-

разователей зависят от числа пар полюсов и коллекторных пластин. По

мере увеличения порядка гармоники ее амплитуда быстро убывает.

Частота f основной гармоники обратно пропорциональна периоду ком-

мутации

T : f=1/

T =[



/(2

)]k, где



-угловая скорость якоря, рад/с; k -

число коллекторных пластин.

Частота гармоник, обусловленных пульсацией выпрямленного на-

пряжения, является относительно небольшой и главным источником

радиопомех является искрение под щетками. Для уменьшения радио-

помех применяют экранирование машины, электрические фильтры и

симметрирование обмоток возбуждения, соединенных последователь-

но с якорем.

Рис. 7. Диаграммы э.д.с., действующих в коммутируемой секции КД