Двигун постійного струму (ДПС) — електрична машина, яка перетворює електричну енергію постійного струму на механічну шляхом взаємодії струму в обмотці якоря з магнітним полем полюсів і безперервної зміни напрямку цього струму за допомогою колектора.
Попри те що більшість промислового приводу сьогодні базується на асинхронних двигунах і частотних перетворювачах, машини постійного струму продовжують експлуатуватися там, де потрібні дуже високий пусковий момент, глибоке й плавне регулювання швидкості в широкому діапазоні або точне керування моментом — у прокатних станах, тяговому приводі, кранах, екскаваторах і збудниках синхронних машин.
Двигуни постійного струму та тісно пов’язані з ними генератори застосовуються, зокрема, у:
Основними причинами, з яких машини постійного струму досі використовуються поряд із сучасним асинхронним приводом, є:
Водночас конструкція двигуна постійного струму суттєво складніша за конструкцію короткозамкненого асинхронного двигуна.
Його ресурс визначається станом декількох взаємопов’язаних вузлів:
Під час ремонту недостатньо відновити лише один із цих вузлів — колектор, обмотку якоря чи підшипники слід розглядати як частини єдиної електромеханічної системи.
Двигун постійного струму — це електрична машина, у якій постійний струм в обмотці якоря взаємодіє з нерухомим магнітним полем полюсів, а колектор разом зі щітками забезпечує безперервну зміну напрямку струму в провідниках якоря під час обертання, завдяки чому електромагнітний момент завжди діє в одному напрямку.
У найзагальнішому вигляді робота двигуна постійного струму описується так:
Основні типи двигунів постійного струму за способом збудження:
Кожен тип має власну механічну характеристику й власну типову область застосування — вони розглянуті нижче.
Двигун постійного струму складається з нерухомої магнітної системи (статора) та обертового якоря, пов’язаних через повітряний зазор, а також щіткового апарату, який забезпечує електричний контакт між нерухомою та обертовою частинами машини.
До основних вузлів належать:
Станина — це зовнішній корпус двигуна, який одночасно є частиною магнітопроводу.
Вона виконує декілька функцій:
Станину виготовляють литою зі сталі чи чавуну, а у великих машинах — зварною з листової конструкційної сталі; матеріал і товщина стінки обираються так, щоб забезпечити необхідний переріз для магнітного потоку без надмірного насичення.
Головні полюси кріпляться до станини та створюють основний магнітний потік машини.
Кожен головний полюс складається з:
Обмотка збудження може живитися від того самого джерела, що й обмотка якоря (двигун паралельного чи послідовного збудження), від окремого джерела (незалежне збудження) або поєднувати послідовну й паралельну котушки на одному полюсі (змішане збудження).
Додаткові полюси встановлюють між головними полюсами, точно по геометричній нейтралі машини.
Їхня обмотка увімкнена послідовно з обмоткою якоря, тому створюване ними поле пропорційне струму навантаження.
Призначення додаткових полюсів — компенсувати реактивну електрорушійну силу, яка виникає в комутованій секції обмотки якоря, і тим самим забезпечити безіскрову комутацію в широкому діапазоні навантажень.
Неправильна полярність, обрив чи міжвиткове замикання обмотки додаткового полюса після ремонту — одна з найпоширеніших причин сильного іскріння щіток навіть за справного колектора.
Щітковий апарат складається зі щіток, щіткотримачів і траверси, на якій вони закріплені.
Щітки, притиснуті пружинами до поверхні колектора, забезпечують ковзний електричний контакт між нерухомою мережею живлення та обертовим якорем.
Траверса дозволяє встановити щітки точно по нейтралі та, за потреби, синхронно повернути весь щітковий вузол під час налаштування.
Вал передає обертовий момент якоря на приводний механізм і сприймає радіальні та осьові навантаження через підшипники, встановлені в підшипникових щитах.
Охолодження забезпечується власним вентилятором на валу, незалежним вентилятором примусової вентиляції або, у машинах великої потужності, системою повітряних чи водяних теплообмінників — вибір способу вентиляції залежить від потужності, режиму роботи та допустимого рівня пилу й вологи в приміщенні.
Сердечник якоря набирають із тонких листів електротехнічної сталі, ізольованих один від одного лаком чи оксидною плівкою, щоб зменшити втрати на вихрові струми, оскільки, на відміну від головних полюсів, сердечник якоря постійно перемагнічується під час обертання.
У пазах сердечника укладається обмотка якоря, а сам пакет напресований на вал або на маточину.
Обмотку якоря виконують як петльову (паралельну) або хвильову (послідовну), а її кінці приєднують до відповідних пластин колектора.
Вибір типу обмотки залежить від номінальних струму й напруги машини:
Секції обмотки закріплюють у пазах клинами чи бандажами, а лобові частини — бандажним дротом або склострічкою, оскільки під час обертання вони зазнають значних відцентрових сил.
Колектор складається з мідних пластин (ламелей), ізольованих одна від одної та від вала прокладками з міканіту чи іншого термостійкого діелектрика.
Кожна ламель з’єднана з відповідною секцією обмотки якоря, тому колектор фактично є механічним перемикачем, який синхронно зі щітками виконує роль випрямляча-комутатора: перетворює змінний за напрямом струм у секціях обмотки на постійний за напрямом струм у зовнішньому колі щіток.
Після проточування поверхні колектора міжламельну ізоляцію обов’язково заглиблюють нижче рівня міді — цю операцію називають продорожуванням; якщо слюда залишається врівень із міддю чи виступає, щітка втрачає стабільний контакт, що спричиняє вібрацію та іскріння.
На провідник зі струмом, розміщений у магнітному полі, діє електромагнітна сила, напрямок якої визначається правилом лівої руки, а величина — добутком магнітної індукції, довжини провідника й струму в ньому.
Оскільки провідники обмотки якоря розподілені по колу під головними полюсами протилежної полярності, сили, що діють на них, створюють сумарний обертовий електромагнітний момент, прикладений до якоря.
Під час обертання якоря кожна секція обмотки послідовно проходить під полюсами різної полярності, тому струм у ній має періодично змінювати напрямок — саме це й забезпечує колектор разом зі щітками.
У момент, коли щітка перекриває дві сусідні ламелі, відповідна секція на короткий час замикається накоротко, а струм у ній повинен встигнути зменшитися до нуля, змінити напрямок і зрости до нового значення в протилежний бік — цей процес називають комутацією.
Додаткові полюси, обмотка яких увімкнена послідовно зі струмом якоря, наводять у комутованій секції компенсуючу електрорушійну силу, яка допомагає струму змінитися вчасно; якщо ця компенсація неточна, під щіткою виникає іскріння.
Під час обертання якоря в магнітному полі в його обмотці наводиться електрорушійна сила, спрямована протилежно до прикладеної напруги — так звана протиелектрорушійна сила, або ЕРС якоря.
Її величина приблизно пропорційна добутку магнітного потоку полюсів і швидкості обертання:
E = k · Φ · n
де:
Напруга на затискачах якоря дорівнює сумі протиЕРС і падіння напруги на опорі кола якоря:
U = E + I · R
де I — струм якоря, а R — сумарний опір обмотки якоря та щіткового контакту.
Електромагнітний момент двигуна приблизно пропорційний добутку магнітного потоку й струму якоря:
M = kм · Φ · I
Із цих співвідношень випливає базова механічна характеристика машини постійного струму: швидкість обертання зростає зі збільшенням прикладеної напруги, знижується зі збільшенням навантаження (через зростання падіння напруги I · R) і зростає зі зменшенням магнітного потоку — саме на цих трьох залежностях базуються всі практичні способи регулювання швидкості, розглянуті нижче.
Спосіб з’єднання обмотки збудження з обмоткою якоря визначає механічну характеристику двигуна і, відповідно, область його застосування.
Обмотка збудження увімкнена послідовно з обмоткою якоря, тому магнітний потік залежить від того самого струму, що й момент.
Це надає двигуну характерні властивості:
Двигун послідовного збудження не можна залишати без механічного навантаження чи з від’єднаною ланкою передачі — втрата навантаження при увімкненому живленні може призвести до руйнівного перевищення швидкості.
Завдяки високому пусковому моменту такі двигуни традиційно застосовують у тяговому приводі — електровозах, тролейбусах, кранах і підйомних механізмах, де важливий саме великий момент під час рушання з місця.
Обмотка збудження увімкнена паралельно обмотці якоря (або, за незалежного збудження, живиться від окремого джерела тієї самої номінальної напруги).
Магнітний потік практично не залежить від навантаження на якір, тому швидкість такого двигуна залишається майже сталою в широкому діапазоні навантажень — характеристика близька до жорсткої.
Двигуни паралельного та незалежного збудження застосовують там, де потрібна стабільна швидкість і точне регулювання — у металорізальних верстатах, приводах подачі, окремих насосах і вентиляторах зі спеціальними вимогами до регулювання.
Конструктивно не відрізняється від двигуна паралельного збудження, але обмотка збудження живиться від окремого джерела постійної напруги, а не від затискачів якоря.
Це дає змогу незалежно регулювати струм збудження та напругу якоря, що використовується в системах глибокого й точного регулювання швидкості за схемою «генератор — двигун» або з керованим випрямлячем.
Має дві обмотки на кожному головному полюсі: послідовну та паралельну.
Залежно від того, чи їхні магнітні потоки складаються, чи віднімаються, розрізняють:
Двигуни змішаного (узгодженого) збудження застосовують у приводах, де потрібен і підвищений пусковий момент, і обмеження максимальної швидкості на холостому ході, — наприклад у деяких кранових і прокатних механізмах.
Головні полюси виконані не з обмотки збудження, а з постійних магнітів, тому магнітний потік практично незмінний у всьому діапазоні навантажень.
Переваги — простіша конструкція, відсутність втрат на збудження, компактність; недолік — неможливість регулювання швидкості ослабленням поля та ризик часткового розмагнічування магнітів при значному перевантаженні чи перегріванні.
Такі двигуни поширені в малопотужному та середньопотужному приводі — електроінструменті, приводах воріт і засувок, малих сервоприводах і деяких видах електротранспорту.
Одна з головних причин, з яких машини постійного струму досі застосовуються поряд із частотно-регульованим асинхронним приводом, — простота й глибина регулювання швидкості.
На практиці застосовують три основні способи, які часто поєднують.
Зменшення струму збудження зменшує магнітний потік, а отже, за незмінної напруги якоря, підвищує швидкість обертання.
Спосіб дозволяє регулювати швидкість вище номінальної, але супроводжується зменшенням допустимого моменту, оскільки момент пропорційний і потоку, і струму якоря — тому цей діапазон називають зоною сталої потужності, на відміну від зони сталого моменту при регулюванні напругою.
Зміна напруги, прикладеної до обмотки якоря, за незмінного номінального потоку збудження дозволяє плавно регулювати швидкість від нуля до номінальної практично без зниження допустимого моменту — це зона сталого моменту.
Історично напругу регулювали за системою «генератор — двигун», а в сучасних установках — керованими тиристорними або транзисторними перетворювачами постійного струму.
Додатковий опір, увімкнений послідовно в коло якоря, зменшує швидкість за рахунок збільшення падіння напруги I · R, але супроводжується значними втратами енергії в реостаті та є менш точним і менш економічним способом.
Сьогодні реостатне регулювання застосовують здебільшого як пусковий засіб — для обмеження пускового струму до розгону двигуна, а не як основний робочий спосіб регулювання швидкості.
На практиці регулювання напругою якоря (для швидкостей від нуля до номінальної) найчастіше поєднують з ослабленням поля (для швидкостей вище номінальної), що дозволяє отримати широкий діапазон регулювання з мінімальними втратами енергії.
На заводській табличці двигуна постійного струму зазвичай зазначаються:
| Параметр | Що показує |
|---|---|
| Номінальна напруга якоря | Розрахункова напруга живлення обмотки якоря |
| Номінальна напруга збудження | Напруга живлення обмотки незалежного збудження |
| Номінальний струм якоря | Максимальний тривало допустимий струм якоря |
| Номінальна потужність | Механічна потужність на валу в номінальному режимі |
| Номінальна швидкість | Швидкість обертання при номінальних напрузі, струмі й потоці |
| Спосіб збудження | Послідовне, паралельне, незалежне, змішане або постійні магніти |
| Режим роботи | S1–S10 за тривалістю та характером навантаження |
| Клас ізоляції | Гранично допустима температура нагріву обмоток |
| Ступінь захисту IP | Захист від дотику, пилу та вологи |
| Напрямок обертання | Допустимий напрямок або допустимість реверсу |
Крім паспортних даних, для оцінки стану й ремонтопридатності конкретної машини важливі також:
Тягові двигуни постійного струму послідовного чи змішаного збудження традиційно застосовуються в електровозах, тепловозах з електричною передачею, трамваях і рудниковому транспорті завдяки природно високому пусковому моменту та здатності витримувати значні короткочасні перевантаження під час рушання й подолання підйомів.
У металургії двигуни постійного струму незалежного збудження довгий час залишаються основним приводом обтискних і чистових кліт прокатних станів, оскільки дозволяють точно й швидко регулювати швидкість та момент у циклічному, реверсивному режимі з частими перевантаженнями.
У кранових і екскаваторних механізмах затребувані здатність двигуна витримувати часті пуски, реверси й стопоріння, а також висока перевантажувальна здатність за моментом, характерна для машин послідовного й змішаного збудження.
Машини постійного струму застосовують і як генератори — джерела живлення для систем збудження синхронних генераторів і двигунів, зварювальних постів, гальванічних ліній і лабораторного обладнання, де потрібна регульована постійна напруга.
Двигуни незалежного та паралельного збудження застосовують у металорізальних верстатах, намотувальних і розмотувальних пристроях текстильної та паперової промисловості, а також в іншому обладнанні, де важливе плавне регулювання швидкості в широкому діапазоні за постійного моменту.
Переваги машин постійного струму:
Нижче наведено короткий огляд найпоширеніших несправностей машин постійного струму; кожна з них розглядається докладніше в окремих матеріалах.
Іскріння виникає через порушення комутації — неправильне положення траверси, несправність додаткових полюсів, забруднення чи биття колектора, перевантаження або невідповідну марку щіток; за відсутності своєчасної діагностики сильне іскріння може перейти в круговий вогонь — потужну дугу по поверхні колектора, яка руйнує ламелі та щіткотримачі.
Прискорене зношення щіток пов’язане з неправильним тиском пружин, заклинюванням у щіткотримачі, невідповідною маркою матеріалу чи забрудненою поверхнею колектора; контролюють довжину, вільний хід і рівномірність зношення всіх щіток однієї полярності.
Виникає через старіння чи механічне пошкодження ізоляції провідників, перегрівання, вологу або вібрацію; проявляється локальним нагрівом секції, характерним іскрінням в одному положенні при кожному оберті та відхиленням при імпульсній перевірці обмотки.
Обрив, міжвиткове замикання чи пробій на корпус в обмотці збудження або додаткового полюса змінюють магнітний потік і порушують комутацію; несправність додаткового полюса часто маскується під «звичайне» іскріння щіток і виявляється лише прицільною перевіркою.
Спричиняє підвищений шум, вібрацію, биття якоря відносно полюсів і, як наслідок, нерівномірний повітряний зазор та додаткове іскріння; своєчасна заміна підшипників і контроль мащення — одна з найдешевших профілактичних заходів.
Може бути спричинене перевантаженням, порушенням вентиляції, забрудненням обмоток, міжвитковим замиканням чи неправильним режимом роботи; тривале перегрівання прискорює старіння ізоляції та зрештою призводить до її пробою.
Найчастіші причини — дисбаланс якоря, погане центрування з механізмом, знос підшипників, биття колектора чи механічні пошкодження вентилятора; вібрація, своєю чергою, погіршує контакт щіток із колектором і посилює іскріння.
Регулярне обслуговування щітково-колекторного вузла й механічної частини суттєво продовжує ресурс машини постійного струму та знижує ризик аварійної зупинки.
У двигуні постійного струму магнітний потік і струм якоря можна регулювати незалежно, а колектор механічно перемикає струм у секціях обмотки якоря; асинхронний двигун живиться змінним струмом безпосередньо від мережі, обертове поле створюється самою багатофазною обмоткою статора, а колектора немає взагалі.
Магнітний потік такого двигуна залежить від струму якоря; при втраті механічного навантаження струм і момент падають, потік слабшає, а швидкість може зрости до небезпечних значень — так званого рознесення, яке здатне зруйнувати обмотку якоря та колектор.
Регулювання напругою якоря дозволяє змінювати швидкість від нуля до номінальної практично без втрати моменту й тому застосовується як основний спосіб; ослаблення поля використовують додатково для роботи вище номінальної швидкості, коли допустимий момент уже знижується.
У більшості випадків ремонт технічно й економічно виправданий: якір, колектор, обмотки полюсів і механічну частину можна відновити з дотриманням заводських обмотувальних даних; заміна доцільна переважно тоді, коли пошкоджена активна сталь чи станина, а не самі обмотки чи колектор.
Періодичність залежить від режиму роботи й марки щіток, але на практиці щітки й колектор оглядають при кожному плановому технічному обслуговуванні, а за ознак іскріння, шуму чи запаху гару — позачергово.
З часом поверхня колектора зношується нерівномірно, з’являються биття, борозни та підгоряння; проточування відновлює правильну циліндричну форму, після чого обов’язково виконують продорожування — заглиблення міжламельної ізоляції нижче рівня міді.
Так: відкритий щітково-колекторний вузол чутливіший до пилу, вологи та агресивних середовищ, ніж закрита обмотка асинхронного двигуна, тому машини постійного струму частіше потребують захищеного чи спеціального виконання й регулярнішого обслуговування.
ТОВ ВКФ «Електропромремонт» виконує діагностику, ремонт і виготовлення вузлів електричних машин постійного струму — тягових, кранових, прокатних двигунів, генераторів і збудників.
До складу робіт входять:
Двигун постійного струму — електрична машина, у якій колектор і щітки перетворюють обертання якоря на безперервну зміну напрямку струму в його обмотці, завдяки чому електромагнітний момент незмінно діє в одному напрямку.
Спосіб з’єднання обмотки збудження з обмоткою якоря визначає механічну характеристику двигуна — від м’якої, з високим пусковим моментом, у машин послідовного збудження, до жорсткої, зі стабільною швидкістю, у машин паралельного й незалежного збудження.
Ресурс машини залежить не лише від обмотки якоря, а й від стану колектора, щіткового апарату, обмоток полюсів, підшипників і системи вентиляції — тому ремонт варто розглядати як відновлення єдиної електромеханічної системи, а не окремих деталей.
Стаття має загальний інформаційний характер. Вибір типу двигуна, схеми збудження, способу регулювання швидкості, обмотувальних даних і технології ремонту конкретної машини повинен ґрунтуватися на документації виробника, номінальній табличці та результатах професійної діагностики.
Матеріал має інформаційний характер. Наведені значення, методи діагностики, обсяг робіт та рекомендації є загальними і не замінюють технічну документацію виробника. Остаточне рішення щодо конкретної машини приймається за результатами її діагностики та дефектації з урахуванням типу, потужності, конструкції, режиму роботи, історії експлуатації та застосовних стандартів.
Виконаємо дефектацію якоря, колектора, щіткового апарату та магнітної системи, визначимо обсяг ремонту і відновимо машину відповідно до заводських характеристик.