Универсальные коллекторные двигатели

Универсальными называют коллекторные двигатели, которые могут работать как от сети постоянного, так и от сети однофаз­ного переменного тока.

Коллекторный двигатель постоянного тока в принципе может работать от сети переменного тока, так как при переходе от положительного полупериода переменного напряжения к отрица­тельному направление электромагнитного момента сохраняется неизменным. Объясняется это тем, что при переходе к отрицатель­ному полупериоду почти одновременно с изменением направле­ния тока в обмотке якоря меняется направление тока в обмотке возбуждения, т. е. меняется полярность полюсов.

Однофазные коллекторные двигатели имеют преимуществен­но последовательное возбуждение. Применение параллельного

Рис. 29.14. К принципу работы универсального коллекторного двигателя

возбуждения (рис. 29.14, а) в данном случае ограничивается значительной индуктивностью параллельной обмотки возбужде­ния, имеющей большое число витков. Это создает значительный фазовый сдвиг между током якоря Iа и током возбуждения Iв на угол 5 (рис. 29.14,6). Среднее значение электромагнитного мо­мента в этом случае определяется выражением, аналогичным выражению (25.24), но учитывающим угол сдвига между током якоря и магнитным потоком:

Мпар=см(Фmax/√2)Iacos(ψ+δ), (29.34)

где Фmax — максимальное значение магнитного потока; ψ — угол сдвига фаз между током якоря и током возбуждения; δ- угол сдвига фаз между током возбуждения и магнитным потоком, обусловленный наличием магнитных потерь в машине [(ψ+δ))≈90°, а следовательно, cos(ψ+δ) ≈0].

В двигателе последовательного_ возбуждения (рис. 29.14, в) ток якоря Iа и ток возбуждения Iв совпадают по фазе: ψ = 0 (рис. 29.14, г). Поэтому среднее значение электромагнитного вращающего момента в двигателе последовательного возбужде­ния Мпосл больше, чем в двигателе параллельного возбуждения:

Мпосл = См(Фmax/√2) Iacosδ. (29.35)

Электромагнитный момент двигателя последовательного воз­буждения при работе от сети переменного тока имеет постоянную составляющую Мпост (рис. 29.14,d) и переменную составляющую Мпер, изменяющуюся с частотой, равной удвоенной частоте сети f, (рис. 29.14, е). Результирующий момент этого двигателя является пульсирующим М~= Мпосл (рис. 29.14,ж):

М~= Mпост + (— Мпер). Небольшие участки графика М = f(t) с отрицатель­ным (тормозящим) моментом обусловлены фазовым сдвигом между векторами магнитного потока Фmах и током U (рис. 29.14, г). Пульсации момента практически не нарушают работу двига­теля, включенного в сеть переменного тока, так как сглаживаются за счет момента инерции вращающегося якоря.

По своей конструкции универсальные коллекторные двигатели отличаются от двигателей постоянного тока тем, что их станина и главные полюсы 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, включая стани­ну и сердечники полюсов.

Основной недостаток однофазных коллекторных двигателей — тяжелые условия коммутации. Дело в том, что в коммутирую­щих секциях помимо реактивной ЭДС и ЭДС внешнего поля (см. § 27.3) наводится трансформаторная ЭДС етр, действующее значение которой

Етр=4,44f1ωcФmax (29.36)

Эта ЭДС наводится переменным магнитным потоком возбуж­дения, сцепленным с коммутирующими секциями. Для уменьшения трансформаторной ЭДС необходимо уменьшить поток Фmах, а что­бы мощность двигателя при этом осталась прежней, следует уве­личить число полюсов, в двигателе.

Применение в обмотке якоря двигателя одновитковых секций (ωc= 1) также способствует ограничению Eтр, но при этом уве­личивается количество пластин в коллекторе, а следовательно, возрастают его размеры. Применение добавочных полюсов с обмоткой, включенной последовательно в цепь якоря, позволяет добиться полной взаимной компенсации трансформаторной ЭДС только при определенных значениях тока якоря и частоты вра­щения. При других режимах работы двигателя условия коммута­ции остаются тяжелыми. Регулировка частоты вращения и ревер­сирование однофазного коллекторного двигателя выполняются так же, как и в двигателях постоянного тока последовательного возбуждения. В универсальном коллекторном двигателе стремятся получить примерно одинаковые частоты вращения при номинальной на­грузке как на постоянном, так и на переменном токе. Достигается это тем, что обмотку возбуждения двигателя выполняют с ответ­влениями: при работе двигателя от сети постоянного тока обмотка возбуждения используется полностью, а при работе от сети переменного тока — частично (рис. 29.15, а). Расхождения в характеристиках двигателя на постоянном и переменном токе объясняются тем, что при работе от сети пере­менного тока на величину и фазу тока оказывают влияние ин­дуктивные сопротивления обмоток якоря и возбуждения. Однако уменьшение числа витков обмотки возбуждения обеспечивает

Рис. 29.15. Схема соединений и рабочие характеристики универсального коллекторного двигателя

сближение характеристик лишь при нагрузке, близкой к номи­нальной. На рис. 29.15,6 приведены рабочие характеристики уни­версального коллекторного двигателя (синими линиями — при работе двигателя от сети переменного тока, а красными — от се­ти постоянного тока). Ток I1 универсальных двигателей при ра­боте от сети переменного тока больше, чем при работе этого же электродвигателя от сети постоянного тока, так как переменный ток помимо активной имеет еще и реактивную составляющую. Коэффициент полезного действия универсальных двигателей при переменном токе ниже, чем при постоянном, что вызвано повы­шенными магнитными потерями. Области применения универ­сальных коллекторных двигателей достаточно широки: их приме­няют в автоматике, для привода различного электроинструмента, бытовых электроприборов и др.

Контрольные вопросы

Какие способы ограничения пускового тока применяются в двигателях по­стоянного тока?

С какой целью при пуске двигателя параллельного возбуждения сопротив­ление реостата в цепи возбуждения устанавливают минимальным?

Сравните двигатели параллельного и последовательного возбуждения по их регулировочным свойствам.

Какова разница в конструкции коллекторных двигателей постоянного и пере­менного тока?