Сравнительная характеристика типов электродвигателей

Авторы работы: Рыжиков Александр , Могилевец Роман.

Краткая характеристика электродвигателей

В условиях сложной экономической ситуации в мире, постоянной

конкуренции

и

стремлению

к

наименьшим

затратам

важнейшими

критериями

выбора

можно

считать

экономичность,

надежность

и

экологичность оборудования, в том числе при выборе электродвигателя.

Электродвигатель

преобразует

электрическую

энергию

в

механическую. В первую очередь стоит обратить внимание на основные

показатели, такие как мощность, количество оборотов в минуту, напряжение

и тип питания.

Также, не стоит забывать про массогабаритность и

энергетические показатели.

Электродвигатели

имеют

множество

преимуществ

относительно

других. По сравнению с тепловыми двигателями той же мощности они

намного компактнее, что прекрасно подходит для установки на относительно

небольшого размера устройства, включая электровозы, станки различного

назначения, трамваи.

Экология так же имеет вес при выборе двигателя. При использовании

электродвигателя сводится к нулю выделение пара и продуктов распада, что

делает их более экологичными, чем их конкуренты, а работа с ними

становится безопаснее. Электродвигатели можно классифицировать по двум

критериям: тип используемого тока, принцип работы двигателя. По типу

используемого тока электродвигатели делятся на двигатели постоянного и

переменного тока, по принципу работы на двигатели постоянного тока,

двигатели переменного тока, шаговые электродвигатели и серводвигатели.

Электродвигатели переменного тока, в свою очередь, подразделяются

на синхронные и асинхронные.

Электродвигатели переменного тока

Наибольшее распространение среди электродвигателей, применяемых

во всех отраслях промышленности и бытовых электроприборах имеют

двигатели переменного тока. Они используются практически в каждой сфере

жизни человека – от станков различного назначения до бытовых приборов и

детских игрушек.

Принцип работы всех электродвигателей основывается на законе

электромагнитной индукции Фарадея и законе Ампера. Согласно закону

электромагнитной

индукции

Фарадея,

на

замкнутом

проводнике,

находящемся в изменяющемся магнитном поле, генерируется ЭДС. В

двигателях в обмотках статора, по которым протекает переменный ток, также

создается изменяющееся магнитное поле. Вследствие этого, на роторе,

который является подвижной частью двигателя, возникает ток.

Ротор же вращается согласно закону Ампера, который гласит, что на

электрические заряды, протекающие по проводнику, находящемуся внутри

магнитного

поля,

действует

сила,

движущая

их

в

плоскости,

перпендикулярной силовым линиям этого магнитного поля. Таким образом,

проводник, которым в двигателе является закрепленный на валу ротор,

вращается вокруг своей оси, приводя в движение необходимые механизмы

оборудования.

Электродвигатели переменного тока имеют различное устройство. У

одних частота вращения ротора совпадает с частотой вращения магнитного

поля статора, у других ротор как бы «отстает» от вращающегося магнитного

поля. По этому принципу двигатели делятся на соответствующие виды:

синхронные и асинхронные.

Асинхронные двигатели

В основе конструкции асинхронного электродвигателя лежит пара

важнейших функциональных частей:

1. Статор представляет собой неподвижную часть электродвигателя,

выполненную в виде блока цилиндрической формы, которая сделана из

листов шихтованной стали с пазами для укладки токопроводящих обмоток,

оси которых расположены под углом 120˚ относительно друг друга. Полюса

обмоток сходятся в клеммной колодке, в которой они соединяются разными

способами,

в

зависимости

от

необходимых

параметров

работы

электродвигателя.

2. Ротор – движущаяся часть электродвигателя. Конструктивно они

разделяются на два вида:

– Короткозамкнутый ротор, также называемый «беличьей клеткой». Он

изготавливается из медных и алюминиевых стержней, которые на обоих

концах накоротко замкнуты с помощью торцевых колец.

–

Фазный

ротор.

На

таких

роторах,

также

как

в

статоре,

устанавливается

трехфазная

обмотка.

Концы

обмотки

объединены

в

клеммной колодке, где соединяются в «звезду», либо «треугольник», а

свободные концы подключены к контактным кольцам. Для уменьшения

пусковых токов в цепь обмоток может добавляться добавочный резистор.

Также в конструкцию электродвигателя входят: клеммная колодка, на

которой соединяются концы обмоток, вал, передающий вращение ротора на

рабочие механизмы и вентилятор, необходимый для охлаждения обмоток.

Работа

асинхронных

электродвигателей

основана

на

законе

электромагнитной индукции, согласно которому, ЭДС может возникнуть

лишь при разности скоростей вращения магнитного поля статора и самого

ротора. В обратном случае электродвижущая сила не могла бы появиться, но

из-за того, что на вал воздействуют такие «тормозящие» факторы, как трение

подшипников и нагрузка, всегда создаются достаточные для работы условия.

Синхронные двигатели

Конструктивно

синхронные

электрические

двигатели

несколько

отличаются от асинхронных. Скорость вращения магнитного поля статора в

этих машинах равна скорости, с которой ротор вращается вокруг своей оси.

Также, как и в асинхронных электродвигателях с фазным ротором, ротор в

синхронных машинах оснащен обмотками, одни концы которых объединены

в клеммной колодке, а другие подключены к вращающемуся коллектору.

Контактные площадки на коллекторе выполнены так, что в определенный

момент времени возможна подача питания осуществляется только на два

противоположных контакта через графитовые щетки.

Принцип работы синхронных электродвигателей:

Вращающий

момент

на

роторе

возникает

при

взаимодействии

магнитного поля статора на ротор, по которому течет ток.

Направление

переменного

тока

одновременно

изменяется

с

направлением

движения

магнитного,

благодаря

чему

осуществляется

вращение выходного вала в одну сторону.

Преимущества

и

недостатки

электрических

двигателей

переменного тока

Асинхронные двигатели переменного тока обладают следующими

преимуществами:

1.

Высокий КПД;

2.

Относительно одинаковая скорость вращения при разной нагрузке;

3.

Способность

выдерживать

непродолжительные

механические

перегрузки;

4.

Малый пусковой ток;

5.

Хороший начальный момент.

Главным недостатком этих машин является то, что регулировать их

скорость вращения возможно только изменением частоты электрического

тока.

Синхронные двигатели переменного тока обладают следующими

преимуществами:

1.

Сопротивляемость перегрузкам;

2.

Практически не чувствительны к скачкам напряжения;

3.

Не потребляют и не отдают реактивную энергию в сеть, вследствие

этого малые габариты.

Однако, они обладают такими недостатками как:

1.

Сложный пуск в ход;

2.

Высокая цена, относительно сложная конструкция;

3.

Скорость вращения регулируется так же, как и у асинхронных

машин.

Электродвигатели постоянного тока

Двигатель постоянного тока (ДПТ) по своему строению схож с

синхронным электрическим двигателем переменного тока. Отличаются они

видом потребляемого тока. Двигатель состоит из неподвижной части –

статора или индуктора, подвижной части – якоря и щеточно-коллекторного

узла. Если двигатель маломощный, статор может быть выполнен в виде

постоянного магнита, но чаще всего он имеет обмотку возбуждения с двумя

или более полюсами. В якоре находится несколько обмоток, которые

закреплены в пазах. Ранние модели ДПТ состояли из постоянного магнита и

рамки, по которой пускали электрический ток. Современная конструкция

подразумевает более сложное строение и позволяет достигать необходимой

мощности.

Принцип работы двигателей постоянного тока основан на законе

Ампера:

на

электрические

заряды,

протекающие

по

проводнику,

находящемуся внутри магнитного поля, действует сила, движущая их в

плоскости, перпендикулярной силовым линиям этого магнитного поля. Если

у двигателя одна рамка, то якорь будет вращаться до тех пор, пока эта рамка

не займет нейтральное положение параллельно магнитному полю от

индуктора. Для того, чтобы двигатель не переставал вращаться, в якорь

добавляют еще рамки. У современных двигателей рамки заменены на якорь с

набором проводников. На эти проводники подается постоянное напряжение,

в результате чего вокруг индуктора образуется магнитное поле, которое

взаимодействует с магнитным полем обмотки возбуждения. Вследствие

этого, якорь поворачивается на определенный угол. Затем электрический ток

поступает на другие обмотки, снова поворачивая якорь.

Для

последовательного

переключения

проводников

якоря

используются специальные щетки, изготовленные из графита или сплава

меди с графитом. По сути это контакты, которые замыкают электрическую

цепь на выводы пары обмоток. Все выводы изолированы между собой и

соединены в коллекторный узел, который является находящимся на оси вала

якоря кольцом из нескольких ламелей. Щетки-контакты последовательно

замыкают

ламели,

из-за

чего

двигатель

вращается

равномерно.

Равномерность вращения прямо пропорциональна количеству проводников у

ДПТ.

Достоинства и недостатки ДПТ:

К основным достоинствам двигателей постоянного тока относятся:

1.

Простота в управлении;

2.

Возможность регулирования скорости вращения;

3.

Простой запуск

4.

Обратимость - возможность использования в качестве генераторов;

5.

Малые габариты.

К важным недостаткам ДПТ можно отнести:

1.

Графитовые щетки довольно быстро изнашиваются, ограничивая

срок службы двигателя;

2.

Высокая цена;

3.

При подключении к сети необходимо использовать выпрямители

тока.

Шаговые электродвигатели

Шаговый двигатель (ШД) по своему строению схож с ДПТ, но не имеет

коллекторного узла. В статоре находятся обмотки шагового двигателя, а на

роторе

расположен

постоянный

магнит

или

зубчатый

блок

из

магнитомягкого

материала

в

случаях

с

переменным

магнитным

сопротивлением. Внешними схемами осуществляются все коммутации.

Обычно система «мотор — контроллер» управляется по положению, что дает

возможность вывода ротора в любую фиксированную позицию.

Шаговые двигатели делятся на два вида: с постоянными магнитами и с

переменным магнитным сопротивлением (гибридные). У двигателей с

постоянными магнитами обычно присутствуют две независимые обмотки, у

которых может быть срединный отвод.

Также ШД разделяются на биполярные и униполярные. Биполярные

шаговые двигатели с постоянными магнитами и гибридные двигатели

сконструированы более просто, чем униполярные, обмотки в них не имеют

центрального отвода. Из-за этого упрощения биполярные ШД имеют более

сложное реверсирование полярности каждой пары полюсов мотора.

Разные ШД имеют разные углы поворота за один шаг. Более грубые

моторы обычно поворачиваются на 90° за шаг, более точные могут иметь

угловое разрешение 1,8° или 0,72° на шаг. Также при использовании

некоторых контроллеров возможно использовать полушаговый режим или

микрошаговый режим - режим с более мелким дроблением шага, когда на

обмотки подаются дробные значения напряжений, часто формируемые с

помощью ШИМ.

Для управления биполярным ШД необходима электрическая схема,

которая должна выполнять функции старта, изменения скорости, остановки,

а

также

реверса.

Вращение

магнитного

поля

обеспечивается

соответствующими

переключениями

напряжений

на

обмотках.

Ротор,

соединенный с валом двигателя посредством редуктора, поворачивается

вместе с этим полем.

Схема управления для биполярного ШД должна независимо менять

полярность

напряжения

на

каждой

обмотке.

Для

этого

требуется

использование мостовой схемы для каждой из обмоток.

Скорость вращения шагового двигателя определяется исходя из его

физических возможностей. Также на скорость может влиять размер шага –

большей скорости движения соответствует больший шаг.

Мощность шаговых двигателей может быть в пределах от нескольких

ватт до одного киловатта. В пределах одного оборота шаговый двигатель

имеет не менее двух положений устойчивого состояния. Шаговый двигатель

управляется

при

помощи

последовательности

однополярных

или

двуполярных

прямоугольных

импульсов,

которые

поступают

от

электронного коммутатора.

Преимущества шагового двигателя:

1.

Стабильность. Сохраняет скорость при различных нагрузках;

2.

Обратная связь не требуется. У двигателя есть фиксированный угол

поворота;

3.

Шаговый двигатель не может полностью выйти из строя или сгореть

при нагрузке, которая превышает максимальный вращающий момент

двигателя. (ШД будет просто пропускать шаги);

4.

Надежность. В случае поломки двигатель остановится;

5.

Длительный срок эксплуатации;

6.

Высокий момент на низких оборотах;

7.

Повторяемость при позиционировании;

8.

Относительно невысокая цена.

Недостатки шагового двигателя:

1.

Высокое энергопотребление независимо от нагрузки;

2.

При увеличении частоты вращении снижается крутящий момент;

3.

Низкие скорости при старте, необходим плавный разгон;

4.

Высокий нагрев при работе;

5.

Нет возможности сразу вернуться к работе после перегрузки на валу;

6.

Шумность на высоких скоростях;

7.

Относительно низкая мощность.

Серводвигатели

Серводвигатели, в отличие от других типов электродвигателей, могут

управляться

через

отрицательную

обратную

связь

с

использованием

заданных параметров.

Конструкция

современных

серводвигателей

при

своей

простоте

довольно эффективна, потому что позволяет обеспечить максимально точное

управление движением. В его конструкцию входят:

1.

ДПТ

2.

Выходной вал

3.

Шестерни редуктора

4.

Потенциометр

5.

Плата управления

Редуктор и ДПТ образуют привод. Для снижения скорости вращения

двигателя,

которую

необходимо

адаптировать

для

практического

применения, используется редуктор. Нагрузка присоединяется к выходному

валу редуктора.

Для превращения угла поворота двигателя в электрический сигнал

используется датчик. Функции датчика в серводвигателе успешно выполняет

потенциометр. Он выдает аналоговый сигнал от 0 до 10 В с дискретностью,

ограниченной аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), на который

поступает этот сигнал.

Главной

деталью

серводвигателя

является

электронная

плата

сервоусилителя. Она получает и затем анализирует управляющие импульсы,

сравнивает их с данными потенциометра, а также отвечает за включение и

выключение электродвигателя.

Принцип работы:

Принцип

действия

серводвигателя

основан

на

использовании

импульсного сигнала. Этот сигнал имеет три главные характеристики –

частоту повторения, минимальную и максимальную продолжительность. То,

насколько длинным будет импульс, определяет угол поворота двигателя.

Импульсные сигналы, которые получает серводвигатель, обладают

одинаковой частотой, а вот их продолжительность может меняться от 0,8 до

2 мс в зависимости от используемой модели. Вместе с поступлением

управляющего импульса стартует работа генератора опорного импульса,

связанного с потенциометром. Он, в свою очередь, механически сопряжен с

выходным валом серводвигателя и отвечает за изменение его положения.

Электронная схема анализирует длительность импульсов и на основе

разностной величины устанавливает разницу между заданным положением

вала и реальным, который измерен при помощи потенциометра. Затем путем

подачи напряжения на питание двигателя производится корректирование

положения.

Преимущества серводвигателей:

1.

Высокая мощность при малых габаритах и весе.

2.

Высокий КПД. Может достигать 90% при небольших нагрузках.

3.

Сохраняет энергию для поддержания питания на небольшой период.

4.

Сохраняет момент для поддержания вращения на небольшой период.

5.

Низкий нагрев. Потребляемый ток пропорционален нагрузке.

6.

Высокий момент на высокой скорости.

7.

Тихая работа на высоких скоростях.

Недостатки серводвигателей:

1.

Серводвигатель может сгореть. Для предотвращения необходимы

специальные защитные цепи в драйвере.

2.

Щетки электродвигателя требует регулярных обслуживаний и замен

3.

Рабочий цикл сокращается при пиковых нагрузках

4.

Многократное увеличение потребляемого тока при пиковых нагрузках.

5.

Плохое охлаждение. Необходим внешний вентилятор.