Двигатель постоянного тока (ДПТ) — электрическая машина, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую за счёт взаимодействия тока в обмотке якоря с магнитным полем полюсов и непрерывного изменения направления этого тока с помощью коллектора.
Несмотря на то что большинство промышленного привода сегодня строится на асинхронных двигателях и частотных преобразователях, машины постоянного тока продолжают эксплуатироваться там, где нужен очень высокий пусковой момент, глубокое и плавное регулирование скорости в широком диапазоне или точное управление моментом — на прокатных станах, в тяговом приводе, кранах, экскаваторах и возбудителях синхронных машин.
Двигатели постоянного тока и тесно связанные с ними генераторы применяются, в частности, в:
Основными причинами, по которым машины постоянного тока до сих пор используются наряду с современным асинхронным приводом, являются:
В то же время конструкция двигателя постоянного тока существенно сложнее конструкции короткозамкнутого асинхронного двигателя.
Его ресурс определяется состоянием нескольких взаимосвязанных узлов:
При ремонте недостаточно восстановить лишь один из этих узлов — коллектор, обмотку якоря или подшипники следует рассматривать как части единой электромеханической системы.
Двигатель постоянного тока — это электрическая машина, в которой постоянный ток в обмотке якоря взаимодействует с неподвижным магнитным полем полюсов, а коллектор вместе со щётками обеспечивает непрерывное изменение направления тока в проводниках якоря при вращении, благодаря чему электромагнитный момент всегда действует в одном направлении.
В самом общем виде работа двигателя постоянного тока описывается так:
Основные типы двигателей постоянного тока по способу возбуждения:
У каждого типа своя механическая характеристика и своя типовая область применения — они рассмотрены ниже.
Двигатель постоянного тока состоит из неподвижной магнитной системы (статора) и вращающегося якоря, связанных через воздушный зазор, а также щёточного аппарата, который обеспечивает электрический контакт между неподвижной и вращающейся частями машины.
К основным узлам относятся:
Станина — это внешний корпус двигателя, который одновременно является частью магнитопровода.
Она выполняет несколько функций:
Станину изготавливают литой из стали или чугуна, а в крупных машинах — сварной из листовой конструкционной стали; материал и толщина стенки подбираются так, чтобы обеспечить необходимое сечение для магнитного потока без чрезмерного насыщения.
Главные полюса крепятся к станине и создают основной магнитный поток машины.
Каждый главный полюс состоит из:
Обмотка возбуждения может питаться от того же источника, что и обмотка якоря (двигатель параллельного или последовательного возбуждения), от отдельного источника (независимое возбуждение) или сочетать последовательную и параллельную катушки на одном полюсе (смешанное возбуждение).
Добавочные полюса устанавливают между главными полюсами, точно по геометрической нейтрали машины.
Их обмотка включена последовательно с обмоткой якоря, поэтому создаваемое ими поле пропорционально току нагрузки.
Назначение добавочных полюсов — компенсировать реактивную электродвижущую силу, возникающую в коммутируемой секции обмотки якоря, и тем самым обеспечить безыскровую коммутацию в широком диапазоне нагрузок.
Неправильная полярность, обрыв или межвитковое замыкание обмотки добавочного полюса после ремонта — одна из самых распространённых причин сильного искрения щёток даже при исправном коллекторе.
Щёточный аппарат состоит из щёток, щёткодержателей и траверсы, на которой они закреплены.
Щётки, прижатые пружинами к поверхности коллектора, обеспечивают скользящий электрический контакт между неподвижной сетью питания и вращающимся якорем.
Траверса позволяет установить щётки точно по нейтрали и, при необходимости, синхронно повернуть весь щёточный узел при настройке.
Вал передаёт вращающий момент якоря на приводной механизм и воспринимает радиальные и осевые нагрузки через подшипники, установленные в подшипниковых щитах.
Охлаждение обеспечивается собственным вентилятором на валу, независимым вентилятором принудительной вентиляции или, в машинах большой мощности, системой воздушных либо водяных теплообменников — выбор способа вентиляции зависит от мощности, режима работы и допустимого уровня пыли и влаги в помещении.
Сердечник якоря набирают из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком или оксидной плёнкой, чтобы снизить потери на вихревые токи, поскольку, в отличие от главных полюсов, сердечник якоря постоянно перемагничивается при вращении.
В пазах сердечника укладывается обмотка якоря, а сам пакет напрессован на вал или на втулку.
Обмотку якоря выполняют как петлевую (параллельную) или волновую (последовательную), а её концы присоединяют к соответствующим пластинам коллектора.
Выбор типа обмотки зависит от номинальных тока и напряжения машины:
Секции обмотки закрепляют в пазах клиньями или бандажами, а лобовые части — бандажной проволокой или стеклолентой, поскольку при вращении они испытывают значительные центробежные силы.
Коллектор состоит из медных пластин (ламелей), изолированных друг от друга и от вала прокладками из миканита или другого термостойкого диэлектрика.
Каждая ламель соединена с соответствующей секцией обмотки якоря, поэтому коллектор фактически является механическим переключателем, который синхронно со щётками выполняет роль выпрямителя-коммутатора: преобразует переменный по направлению ток в секциях обмотки в постоянный по направлению ток во внешней цепи щёток.
После проточки поверхности коллектора межламельную изоляцию обязательно углубляют ниже уровня меди — эту операцию называют продороживанием; если слюда остаётся вровень с медью или выступает, щётка теряет стабильный контакт, что вызывает вибрацию и искрение.
На проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует электромагнитная сила, направление которой определяется правилом левой руки, а величина — произведением магнитной индукции, длины проводника и тока в нём.
Поскольку проводники обмотки якоря распределены по окружности под главными полюсами противоположной полярности, действующие на них силы создают суммарный вращающий электромагнитный момент, приложенный к якорю.
При вращении якоря каждая секция обмотки последовательно проходит под полюсами разной полярности, поэтому ток в ней должен периодически менять направление — именно это и обеспечивает коллектор вместе со щётками.
В момент, когда щётка перекрывает две соседние ламели, соответствующая секция на короткое время замыкается накоротко, а ток в ней должен успеть уменьшиться до нуля, изменить направление и вырасти до нового значения в противоположную сторону — этот процесс называют коммутацией.
Добавочные полюса, обмотка которых включена последовательно с током якоря, наводят в коммутируемой секции компенсирующую электродвижущую силу, которая помогает току измениться вовремя; если эта компенсация неточна, под щёткой возникает искрение.
При вращении якоря в магнитном поле в его обмотке наводится электродвижущая сила, направленная противоположно приложенному напряжению, — так называемая противоэлектродвижущая сила, или ЭДС якоря.
Её величина приблизительно пропорциональна произведению магнитного потока полюсов и скорости вращения:
E = k · Φ · n
где:
Напряжение на зажимах якоря равно сумме противоЭДС и падения напряжения на сопротивлении цепи якоря:
U = E + I · R
где I — ток якоря, а R — суммарное сопротивление обмотки якоря и щёточного контакта.
Электромагнитный момент двигателя приблизительно пропорционален произведению магнитного потока и тока якоря:
M = kм · Φ · I
Из этих соотношений следует базовая механическая характеристика машины постоянного тока: скорость вращения растёт с увеличением приложенного напряжения, снижается с ростом нагрузки (из-за увеличения падения напряжения I · R) и растёт при уменьшении магнитного потока — именно на этих трёх зависимостях основаны все практические способы регулирования скорости, рассмотренные ниже.
Способ соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря определяет механическую характеристику двигателя и, соответственно, область его применения.
Обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, поэтому магнитный поток зависит от того же тока, что и момент.
Это придаёт двигателю характерные свойства:
Двигатель последовательного возбуждения нельзя оставлять без механической нагрузки или с отсоединённым звеном передачи — потеря нагрузки при включённом питании может привести к разрушительному превышению скорости.
Благодаря высокому пусковому моменту такие двигатели традиционно применяют в тяговом приводе — электровозах, троллейбусах, кранах и подъёмных механизмах, где важен именно большой момент при трогании с места.
Обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря (либо, при независимом возбуждении, питается от отдельного источника того же номинального напряжения).
Магнитный поток практически не зависит от нагрузки на якорь, поэтому скорость такого двигателя остаётся почти постоянной в широком диапазоне нагрузок — характеристика близка к жёсткой.
Двигатели параллельного и независимого возбуждения применяют там, где нужна стабильная скорость и точное регулирование, — в металлорежущих станках, приводах подачи, отдельных насосах и вентиляторах со специальными требованиями к регулированию.
Конструктивно не отличается от двигателя параллельного возбуждения, но обмотка возбуждения питается от отдельного источника постоянного напряжения, а не от зажимов якоря.
Это позволяет независимо регулировать ток возбуждения и напряжение якоря, что используется в системах глубокого и точного регулирования скорости по схеме «генератор — двигатель» или с управляемым выпрямителем.
Имеет две обмотки на каждом главном полюсе: последовательную и параллельную.
В зависимости от того, складываются их магнитные потоки или вычитаются, различают:
Двигатели смешанного (согласного) возбуждения применяют в приводах, где нужен и повышенный пусковой момент, и ограничение максимальной скорости на холостом ходу, — например, в некоторых крановых и прокатных механизмах.
Главные полюса выполнены не из обмотки возбуждения, а из постоянных магнитов, поэтому магнитный поток практически неизменен во всём диапазоне нагрузок.
Преимущества — более простая конструкция, отсутствие потерь на возбуждение, компактность; недостаток — невозможность регулирования скорости ослаблением поля и риск частичного размагничивания магнитов при значительной перегрузке или перегреве.
Такие двигатели распространены в маломощном и среднемощном приводе — электроинструменте, приводах ворот и задвижек, малых сервоприводах и некоторых видах электротранспорта.
Одна из главных причин, по которым машины постоянного тока до сих пор применяются наряду с частотно-регулируемым асинхронным приводом, — простота и глубина регулирования скорости.
На практике применяют три основных способа, которые часто сочетают.
Уменьшение тока возбуждения снижает магнитный поток, а значит, при неизменном напряжении якоря, повышает скорость вращения.
Способ позволяет регулировать скорость выше номинальной, но сопровождается снижением допустимого момента, поскольку момент пропорционален и потоку, и току якоря — поэтому этот диапазон называют зоной постоянной мощности, в отличие от зоны постоянного момента при регулировании напряжением.
Изменение напряжения, приложенного к обмотке якоря, при неизменном номинальном потоке возбуждения позволяет плавно регулировать скорость от нуля до номинальной практически без снижения допустимого момента — это зона постоянного момента.
Исторически напряжение регулировали по системе «генератор — двигатель», а в современных установках — управляемыми тиристорными или транзисторными преобразователями постоянного тока.
Добавочное сопротивление, включённое последовательно в цепь якоря, снижает скорость за счёт увеличения падения напряжения I · R, но сопровождается значительными потерями энергии в реостате и является менее точным и менее экономичным способом.
Сегодня реостатное регулирование применяют в основном как пусковое средство — для ограничения пускового тока до разгона двигателя, а не как основной рабочий способ регулирования скорости.
На практике регулирование напряжением якоря (для скоростей от нуля до номинальной) чаще всего сочетают с ослаблением поля (для скоростей выше номинальной), что позволяет получить широкий диапазон регулирования с минимальными потерями энергии.
На заводской табличке двигателя постоянного тока обычно указываются:
| Параметр | Что показывает |
|---|---|
| Номинальное напряжение якоря | Расчётное напряжение питания обмотки якоря |
| Номинальное напряжение возбуждения | Напряжение питания обмотки независимого возбуждения |
| Номинальный ток якоря | Максимальный длительно допустимый ток якоря |
| Номинальная мощность | Механическая мощность на валу в номинальном режиме |
| Номинальная скорость | Скорость вращения при номинальных напряжении, токе и потоке |
| Способ возбуждения | Последовательное, параллельное, независимое, смешанное или постоянные магниты |
| Режим работы | S1–S10 по продолжительности и характеру нагрузки |
| Класс изоляции | Предельно допустимая температура нагрева обмоток |
| Степень защиты IP | Защита от прикосновения, пыли и влаги |
| Направление вращения | Допустимое направление или допустимость реверса |
Помимо паспортных данных, для оценки состояния и ремонтопригодности конкретной машины важны также:
Тяговые двигатели постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения традиционно применяются в электровозах, тепловозах с электрической передачей, трамваях и рудничном транспорте благодаря изначально высокому пусковому моменту и способности выдерживать значительные кратковременные перегрузки при трогании и преодолении подъёмов.
В металлургии двигатели постоянного тока независимого возбуждения долгое время остаются основным приводом обжимных и чистовых клетей прокатных станов, поскольку позволяют точно и быстро регулировать скорость и момент в циклическом, реверсивном режиме с частыми перегрузками.
В крановых и экскаваторных механизмах востребованы способность двигателя выдерживать частые пуски, реверсы и стопорение, а также высокая перегрузочная способность по моменту, характерная для машин последовательного и смешанного возбуждения.
Машины постоянного тока применяют и как генераторы — источники питания для систем возбуждения синхронных генераторов и двигателей, сварочных постов, гальванических линий и лабораторного оборудования, где нужно регулируемое постоянное напряжение.
Двигатели независимого и параллельного возбуждения применяют в металлорежущих станках, намоточных и размоточных устройствах текстильной и бумажной промышленности, а также в другом оборудовании, где важно плавное регулирование скорости в широком диапазоне при постоянном моменте.
Преимущества машин постоянного тока:
Ниже приведён краткий обзор наиболее распространённых неисправностей машин постоянного тока; каждая из них подробнее рассматривается в отдельных материалах.
Искрение возникает из-за нарушения коммутации — неправильного положения траверсы, неисправности добавочных полюсов, загрязнения или биения коллектора, перегрузки либо несоответствующей марки щёток; при отсутствии своевременной диагностики сильное искрение может перейти в круговой огонь — мощную дугу по поверхности коллектора, разрушающую ламели и щёткодержатели.
Ускоренный износ щёток связан с неправильным давлением пружин, заклиниванием в щёткодержателе, несоответствующей маркой материала или загрязнённой поверхностью коллектора; контролируют длину, свободный ход и равномерность износа всех щёток одной полярности.
Возникает из-за старения или механического повреждения изоляции проводников, перегрева, влаги либо вибрации; проявляется локальным нагревом секции, характерным искрением в одном положении при каждом обороте и отклонением при импульсной проверке обмотки.
Обрыв, межвитковое замыкание или пробой на корпус в обмотке возбуждения либо добавочного полюса изменяют магнитный поток и нарушают коммутацию; неисправность добавочного полюса часто маскируется под «обычное» искрение щёток и выявляется только прицельной проверкой.
Вызывает повышенный шум, вибрацию, биение якоря относительно полюсов и, как следствие, неравномерный воздушный зазор и дополнительное искрение; своевременная замена подшипников и контроль смазки — одна из самых недорогих профилактических мер.
Может быть вызван перегрузкой, нарушением вентиляции, загрязнением обмоток, межвитковым замыканием или неправильным режимом работы; длительный перегрев ускоряет старение изоляции и в конечном итоге приводит к её пробою.
Наиболее частые причины — дисбаланс якоря, плохая центровка с механизмом, износ подшипников, биение коллектора или механические повреждения вентилятора; вибрация, в свою очередь, ухудшает контакт щёток с коллектором и усиливает искрение.
Регулярное обслуживание щёточно-коллекторного узла и механической части существенно продлевает ресурс машины постоянного тока и снижает риск аварийной остановки.
В двигателе постоянного тока магнитный поток и ток якоря можно регулировать независимо, а коллектор механически переключает ток в секциях обмотки якоря; асинхронный двигатель питается переменным током непосредственно от сети, вращающееся поле создаётся самой многофазной обмоткой статора, а коллектора нет вообще.
Магнитный поток такого двигателя зависит от тока якоря; при потере механической нагрузки ток и момент падают, поток ослабевает, а скорость может вырасти до опасных значений — так называемого разноса, способного разрушить обмотку якоря и коллектор.
Регулирование напряжением якоря позволяет менять скорость от нуля до номинальной практически без потери момента и потому применяется как основной способ; ослабление поля используют дополнительно для работы выше номинальной скорости, когда допустимый момент уже снижается.
В большинстве случаев ремонт технически и экономически оправдан: якорь, коллектор, обмотки полюсов и механическую часть можно восстановить с соблюдением заводских обмоточных данных; замена целесообразна в основном тогда, когда повреждена активная сталь или станина, а не сами обмотки или коллектор.
Периодичность зависит от режима работы и марки щёток, но на практике щётки и коллектор осматривают при каждом плановом техническом обслуживании, а при признаках искрения, шума или запаха гари — внепланово.
Со временем поверхность коллектора изнашивается неравномерно, появляются биение, борозды и подгорание; проточка восстанавливает правильную цилиндрическую форму, после чего обязательно выполняют продороживание — углубление межламельной изоляции ниже уровня меди.
Да: открытый щёточно-коллекторный узел чувствительнее к пыли, влаге и агрессивным средам, чем закрытая обмотка асинхронного двигателя, поэтому машины постоянного тока чаще нуждаются в защищённом или специальном исполнении и более регулярном обслуживании.
ООО ВКФ «Электропромремонт» выполняет диагностику, ремонт и изготовление узлов электрических машин постоянного тока — тяговых, крановых, прокатных двигателей, генераторов и возбудителей.
В состав работ входят:
Двигатель постоянного тока — электрическая машина, в которой коллектор и щётки преобразуют вращение якоря в непрерывное изменение направления тока в его обмотке, благодаря чему электромагнитный момент неизменно действует в одном направлении.
Способ соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря определяет механическую характеристику двигателя — от мягкой, с высоким пусковым моментом, у машин последовательного возбуждения, до жёсткой, со стабильной скоростью, у машин параллельного и независимого возбуждения.
Ресурс машины зависит не только от обмотки якоря, но и от состояния коллектора, щёточного аппарата, обмоток полюсов, подшипников и системы вентиляции — поэтому ремонт стоит рассматривать как восстановление единой электромеханической системы, а не отдельных деталей.
Статья носит общий информационный характер. Выбор типа двигателя, схемы возбуждения, способа регулирования скорости, обмоточных данных и технологии ремонта конкретной машины должен основываться на документации производителя, номинальной табличке и результатах профессиональной диагностики.
Материал носит информационный характер. Приведённые значения, методы диагностики, объём работ и рекомендации являются общими и не заменяют техническую документацию производителя. Окончательное решение по конкретной машине принимается по результатам её диагностики и дефектации с учётом типа, мощности, конструкции, режима работы, истории эксплуатации и применимых стандартов.
Выполним дефектацию якоря, коллектора, щёточного аппарата и магнитной системы, определим объём ремонта и восстановим машину в соответствии с заводскими характеристиками.