Promremont34.ru

Авто мастеру
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Бесщеточный двигатель постоянного тока схема подключения

Какие существуют схемы подключения электродвигателей постоянного тока


В домашнем хозяйстве редко встретишь мотор, работающий на постоянном токе. Зато они всегда устанавливаются в детских игрушках, которые летают, ездят, шагают и т.д. Всегда они стоят в автомобилях: в различных приводах и вентиляторах. В электротранспорте чаще всего используют тоже их.

Другими словами, применяются двигатели постоянного тока там, где требуется достаточно широкий диапазон регулирования скорости и точность ее поддержания.

Бесколлекторные электродвигатели постоянного тока (BLDC двигатели) в настоящее время часто используются в потолочных вентиляторах и электрических движущихся транспортных средствах благодаря их плавному вращению. В отличие от других электродвигателей постоянного тока BLDC двигатели подключаются с помощью трех проводов, выходящих из них, при этом каждый провод образует свою собственную фазу, то есть получаем трехфазный мотор.

Хотя BLDC относятся к двигателям постоянного тока они управляются с помощью последовательности импульсов. Для преобразования напряжения постоянного тока в последовательность импульсов и распределения их по трем проводникам используется контроллер ESC (Electronic speed controller). В любой момент времени питание подается только на две фазы, то есть электрический ток заходит в двигатель через одну фазу, и покидает его через другую. Во время этого процесса запитывается катушка внутри двигателя, что приводит к тому, что магниты выравниваются по отношению к запитанной катушке. Затем контроллер ESC подает питание на другие два провода (фазы) и этот процесс смены проводов, на которые подается питание, продолжается непрерывно, что заставляет двигатель вращаться. Скорость вращения двигателя зависит от того как быстро подается энергия на катушку двигателя, а направление вращения – от порядка смены фаз, на которые поочередно подается питание.

Существуют различные типы BLDC двигателей – давайте рассмотрим основные из них. Различают Inrunner и OutRunner BLDC двигатели. В Inrunner двигателях магниты ротора находятся внутри статора с обмотками, а в OutRunner двигателях магниты расположены снаружи и вращаются вокруг неподвижного статора с обмотками. То есть в Inrunner (по этому принципу конструируется большинство двигателей постоянного тока) ось внутри двигателя вращается, а оболочка остается неподвижной. А в OutRunner сам двигатель вращается вокруг оси с катушкой, которая остается неподвижной. OutRunner двигатели особенно удобны для применения в электрических велосипедах, поскольку внешняя оболочка двигателя непосредственно приводит в движение колесо велосипеда, что позволяет обойтись без механизма сцепления. К тому же OutRunner двигатели обеспечивают больший крутящий момент, что делает их также идеальным выбором для применения в электрических движущихся средствах и дронах. Поэтому и в этой статье мы будем рассматривать подключение к платы Arduino двигателя OutRunner типа.

Примечание : существует еще такой тип BLDC двигателей как бесстержневой (coreless), который находит применение в «карманных» дронах. Эти двигатели работают по несколько иным принципам, но рассмотрение принципов их работы выходит за рамки данной статьи.

BLDC двигатели с датчиками (Sensor) и без датчиков (Sensorless). Для BLDC двигателей, которые вращаются плавно, без рывков, необходима обратная связь. Поэтому контроллер ESC должен знать позиции и полюса магнитов ротора чтобы правильно запитывать статор. Эту информацию можно получить двумя способами: первый из них заключается в размещении датчика Холла внутри двигателя. Датчик Холла будет обнаруживать магнит и передавать информацию об этом в контроллер ESC. Этот тип двигателей называется Sensor BLDC (с датчиком) и он находит применение в электрических движущихся транспортных средствах. Второй метод обнаружения позиции магнитов заключается в использовании обратной ЭДС (электродвижущей силы), генерируемой катушками в то время когда магниты пересекают их. Достоинством этого метода является то, что он не требует использования каких либо дополнительных устройств (датчик Холла) – фазовый провод самостоятельно используется в качестве обратной связи благодаря наличию обратной ЭДС. Этот метод используется в двигателе, рассматриваемом в нашей статье, и именно он чаще всего применяется в дронах и других летающих устройствах.

Бесщеточный двигатель постоянного тока схема подключения

Двигатель постоянного тока нашел широкое применение в различных областях деятельности человека. Начиная от использования тягового привода, применяемого в трамваях и троллейбусах , заканчивая приводом прокатных станов и подъемных механизмов, где требуется поддержание высокой точности скорости вращения.

Читать еще:  Двигатели для квадрокоптеров что такое kv

Основные положительные особенности , которые отличают ДПТ от асинхронного двигателя:

— гибкие пусковые и регулировочные характеристики;
— двухзонное регулирование, которое позволяет достигать скорости вращения более 3000 об/мин.
— сложность в изготовлении и высокая стоимость;
— в процессе работы необходимо постоянное обслуживание, так как коллектор и токосъемные щетки имеют небольшой ресурс работы.

Двигатель постоянного тока применяют только тогда, когда применение двигателя переменного тока невозможно или крайне нецелесообразно. В среднем, на каждые 70 двигателей переменного тока приходится всего лишь 1 ДПТ.

Конструкция ДПТ

Двигатель постоянного тока состоит из:

— индуктора (статора);
— якоря (ротора);
— коллектора;
— токосъемных щеток;
— конструктивных элементов.

Якорь и индуктор разделены между собой воздушным зазором. Индуктор представляет из себя станину, которая служит для того, чтобы закрепить основные и добавочные полюса магнитной системы двигателя. На основных полюсах располагаются обмотки возбуждения, а на добавочных – специальные обмотки, которые способствуют улучшению коммутации.

Коллектор подводит постоянный ток к рабочей обмотке, которая уложена в пазы ротора. Коллектор имеет вид цилиндра и состоит из пластин, изолированных друг от друга, он насажен на вал двигателя. Щетки служат для съема тока с коллектора, они крепятся в щеткодержателях для обеспечения правильного положения и надежного нажатия на поверхность коллектора.

Рисунок 1 – Конструкция двигателя постоянного тока

Двигатели постоянного тока классифицируют по магнитной системе статора:

2) ДПТ с электромагнитами :

— ДПТ с независимым возбуждением;
— ДПТ с последовательным возбуждением;
— ДПТ с параллельным возбуждением;
— ДПТ со смешанным возбуждением.

Рисунок 2 – Схемы подключения двигателя постоянного тока

Схема подключения обмоток статора существенно влияет на электрические и тяговые характеристики привода.

Пуск двигателя постоянного тока

Пуск двигателя постоянного тока производят с помощью пусковых реостатов, которые представляют собой активные сопротивления, подключенные к цепи якоря. Выполняют реостатный пуск по двум причинам:

— при необходимости плавного разгона электродвигателя;
— в начальный момент времени, пусковой ток Iп = U / Rя очень большой, что вызывает перегрев обмотки якоря (которая имеет малое сопротивление).

Рисунок 3 – Реостатный пуск двигателя с 3 ступенями

В начале запуска к цепи ротора подключаются все сопротивления, и по мере увеличения скорости они ступенчато выводятся.

Регулирование скорости вращения

Частота вращения двигателя постоянного тока выражается формулой:

Это выражение так же называется электромеханической характеристикой ДПТ, в которой:

U – питающее напряжение;
Iя – ток в якорной обмотке;
Rя – сопротивление якорной цепи;
k – конструктивный коэффициент двигателя;
Ф – магнитный поток двигателя.

Формула момента двигателя:

Подставив в формулу электромеханической характеристики, получим:

Таким образом, исходя из приведенных формул, сделаем вывод, что скорость вращения ДПТ можно регулировать, изменяя сопротивление якоря, питающее напряжение и магнитный поток.

Электродвигатель постоянного тока — проблема выбора

Электродвигатель постоянного тока, как известно, работает на основе использования принципа магнитной индукции. При этом основное и важнейшее преимущество электродвигателя постоянного тока заключается в возможности плавной регулировки в нем скорости вращения в различных диапазонах с высокой точностью.

Вследствие этого данный тип электродвигателя приобрел широкое распространение на рельсовом и безрельсовом электрифицированном транспорте, в подъемных кранах, на прокатных станах, в устройствах автоматики и т. п. И, хотя сфера распространения электродвигателя постоянного ока выглядит достаточно внушительной, нельзя не заметить, что данный тип электродвигателя применяют только там, где применение другого типа двигателя — переменного тока невозможно или крайне нецелесообразно. Отсюда неудивительно, что в среднем, на каждые 70 двигателей переменного тока сегодня приходится всего лишь 1 электродвигатель постоянного тока.

Этот момент, кстати, так же резко снижает и выбор производителей данного типа электродвигателей на мировом рынке. Тем более, если мы говорим о качественном выборе. И здесь выбор электродвигателей постоянного тока от такого известного европейского производителя как T-T Electric может оказаться порой реально безальтернативным.

Читать еще:  В чем измеряется номинальная мощность двигателя

Разумеется, лишь в том случае, если Вам нужен именно электродвигатель постоянного тока. Но как понять, что этот именно тот выбор? Как же здесь не ошибиться?

Для этого давайте рассмотрим устройство электродвигателя постоянного тока, проанализируем схему электродвигателя постоянного тока и принципы его работы.

Отличия электродвигателей постоянного и переменного тока

На сегодняшний день фактом является то, что довольно длительное противостояние двух видов тока, развернувшееся в мировой экономике и производстве в конце XIX — начале ХХ веков, привело к практически безоговорочной победе двигателя переменного тока и постепенной капитуляции электродвигателя постоянного тока.

Причины здесь многогранны и связаны как отчасти с относительной дороговизной электродвигателя постоянного тока, необходимостью его постоянного ремонта, так и с факторами прогресса самих «переменников» активно отвоевывающих все новые и новые ниши у электродвигателя постоянного тока. За электродвигатели переменного тока говорит простота их технологичной конструкции, высокие энергетическим показателям, надежность и стабильность работы.

Однако электродвигатели постоянного тока до сих пор также активно совершенствуются, здесь все также разрабатываются новые модели. И они все еще активно используются на производстве и в быту. Для того, чтобы понять, что это так достаточно просто пройтись по каталогу продукции T-T Electric, представленному на нашем сайте.

При этом основное технологическое отличие электродвигателя постоянного тока от двигателя переменного тока заключается наличие у первого коллектора — устройства переключающего обмотки во время вращения, и представляющего собой выведенные на изолированную часть вала начала и концы обмоток ротора двигателя. Тем самым устройство электродвигателя постоянного тока таково, что выводы якоря и выводы обмоток возбуждения здесь выводятся, как правило, на свои клеммы в клеммной коробке двигателя. На якорь поступает полное напряжение питания, в то время как на обмотку возбуждение регулируемый ток, например, от реостата, а в современных приводных системах, с платы обмотки возбуждения. Причем именно благодаря изменению силы этого тока и происходит вращение двигателя. Принцип работы здесь такой — чем больше ток на обмотке якоря, тем выше скорость двигателя.

Правда стоит заметить, что у электродвигателей переменного тока также бывают выводы роторных обмоток, но в отличие от устройства электродвигателя постоянного тока, здесь они представляют из себя три сплошных кольца, на которые через коллекторный аппарат постоянно подаются фазовые напряжения.

Типы электродвигателя постоянного тока

В зависимости от подключения обмотки якоря и обмотки возбуждения двигатели постоянного тока делятся на электродвигатели с независимым возбуждением — обмотка возбуждения питается от своего источника, и с самовозбуждением — параллельное возбуждение, последовательное возбуждение и смешанное.

В промышленности применяются двигатели с независимым возбуждением. В этих двигателях обмотка возбуждения питается от независимого источника напряжения. Обмотки якоря и возбуждения независимы друг от друга.

Схема подключения двигателя с последовательным возбуждением, по сути, является аналогом схемы с независимым возбуждением. Разница в том, что и якорь, и обмотка возбуждения (через сопротивление) подключены к одному источнику питания.

Двигатели с такой схемой подключения применяются в системах с четким механическими характеристиками, как-то: станки, вентиляторы и т.п.

Моторы постоянного тока с последовательным возбуждением применяется в тех случаях, когда необходим большой пусковой ток, а, следовательно, и момент, а также мягкая механическая характеристика.

Двигатели с таким способом подключения применяются на транспорте: электровозы, трамваи, троллейбусы. По этой схеме обмотка якоря и возбуждения подключены последовательно.

Если подать напряжение на двигатель, то токи в обмотках будут одинаковы. Основной недостаток этих двигателей заключается в том, что при уменьшении нагрузки на валу двигателя до 25% от номинального значения, происходит резкое увеличение оборотов двигателя, чреватое для двигателя постоянного тока. Поэтому для предотвращения этого недостатка двигатель все время приходится нагружать.

Очень редко применяется схема подключения двигателя со смешанным возбуждением. В этой схеме одна обмотка возбуждения включена последовательно, а другая параллельно якоря.

Таким образом на сегодняшний день существует множество вариантов исполнения электродвигателей постоянного тока, однако наиболее распространенным является двигатели с независимым возбуждением, подключаемые через особые приводы постоянного тока обеспечивающие не только рекуперацию энергии, но и точное поддержание скорости и стабильный момент на валу во всем диапазоне регулирования скорости.

Читать еще:  Что такое турбированный оппозитный двигатель

Преимущества бесщеточных двигателей

Бесщеточные двигатели имеют ряд преимуществ, которые и определили области их применения. Они обладают лучшим быстродействием. Их вращающий момент гораздо выше, в сравнении с обычными двигателями. Бесщеточные конструкции отличаются более высокими динамическими характеристиками и коэффициентом полезного действия.

Среди прочих преимуществ, следует отметить бесшумную работу, увеличенный срок эксплуатации и более высокую частоту вращения. Соотношение размеров двигателя и вращающего момента выше, чем у других типов. Это особенно важно для тех областей, где габариты и вес являются критическими факторами.

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Чем отличается бесщеточный (бесколлекторный) электродвигатель от щеточного (коллекторного)

Электродвигатели сегодня широко распространены во многих отраслях, в частности в промышленности и робототехнике. Кроме того, существует большой спрос на малые, эффективные электромоторы с высоким и низким крутящим моментом, а также на электродвигатели различных мощностей для автомобильного сектора.

Инженеры, работающие в этих областях, могут выбирать между коллекторными (щеточными) и бесколлекторными (бесщеточными) электродвигателями. Все они работают в соответствии с законом индукции Фарадея, тем не менее, между этими моторами есть ключевые различия, которые могут быть неочевидны для новичков в электроприводе.

Коллекторные и бесколлекторные электродвигатели постоянного тока различаются тем, как электрический ток передается на коммутатор или электромагниты, которые заставляют ротор продолжать вращаться. По сути, в щеточном двигателе ток передается механически через металлические щетки, тогда как в бесколлекторном двигателе ротор поворачивается благодаря электронике, без необходимости физических контактов.

Электродвигатели постоянного тока функционируют посредством создания магнитных полей, притяжение и противодействие которых поддерживают центральное вращение. В щеточном двигателе фиксированные магниты располагаются с обеих сторон вращающегося электромагнита, один ориентирован на положительный полюс, а другой – на отрицательный. Электромагнит формируется рядом катушек или обмоток (обычно три обмотки, размещенные в равноотстоящих точках вокруг ротора), и называется коммутатором. Когда электрический ток проходит через эти обмотки, они генерируют собственное магнитное поле, которое отталкивается и притягивается к магнитным полям, генерируемым фиксированными магнитами. Ток передается на обмотки коммутатора металлическими щетками, которые вращаются вместе с ротором. Когда двигатель включен, ток подается на электромагниты, магнитные поля которых отталкиваются одним неподвижным магнитом и притягиваются к другому, заставляя ротор вращаться. Когда ротор вращается, металлические щетки контактируют с каждой обмоткой последовательно, поэтому сопротивление и притяжение между полученными магнитными полями и полями статических магнитов поддерживают вращение электромагнита.

В бесщеточном двигателе постоянного тока позиции фиксированных магнитов и электромагнитных катушек меняются на противоположные. Теперь фиксированные магниты размещаются на роторе, а обмотки размещаются в окружающем его корпусе. Двигатель работает благодаря току, проходящему через каждую обмотку последовательно. Это отталкивает и притягивает поля неподвижных магнитов и поддерживает вращение ротора, к которому они прикреплены. Для работы такого двигателя обмотки коммутатора необходимо синхронизировать с неподвижными магнитами, чтобы поля постоянно находились в оппозиции, а ротор продолжал вращаться. Для этого требуется электронный контроллер или микропроцессор для координации приложения тока к каждой электромагнитной катушке.

Главным преимуществом бесщеточных двигателей является то, что передача тока в коммутатор не является механической. Поскольку коллекторные двигатели зависят от физического контакта металлических щеток с обмотками коммутатора, они подвержены снижению эффективности из-за трения с контактами, а также, как и все механические детали, изнашиваются после длительного периода использования. Поскольку бесщеточные двигатели меньше греются (из-за отсутствия трения), они могут работать на больших скоростях (потому что большое тепло мешает магнитным полям).

Главным преимуществом коллекторных двигателей постоянного тока является то, что они дешевле и проще в конструкции и обслуживании, чем бесколлекторные двигатели, поскольку их механизм менее сложный.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector