Характеристика электродвигателей переменного и постоянного тока. Сравнение двигателей постоянного тока

Characteristics of AC and DC electric motors. Comparison of DC motors

 

Авторы:

Закиров Вячеслав Владиславович

УрГУПС, Екатеринбург, Россия

E-mail: slava.zakirovv@gmail.com

Zakirov Vyacheslav Vladislavovich

USURT, Yekaterinburg, Russia

е-mail: slava.zakirovv@gmail.com

Скибо Семен Денисович

УрГУПС, Екатеринбург, Россия

E-mail: super.skibo@mail.ru

Skibo Semyon Denisovich

USURT, Yekaterinburg, Russia

E-mail: super.skibo@mail.ru

 

Аннотация: В данной статье приведена характеристика двигателей постоянного, переменного и, частично, универсального токов. Авторы поднимают проблему создания максимально энергоэффективного двигателя на протяжении всей истории электротехники. Часть статьи посвящена истории создания электродвигателей и сравнению их значений коэффициента полезного действия. Сделан промежуточный вывод, что популярность того или иного двигателя напрямую связана с распространенностью токов в том или ином месте. В аналитической части рассмотрены виды двигателей постоянного тока, а также причины их поломок и ненадежности. Составлено сравнение двигателей постоянного тока. В конце статьи сделан вывод, что лучшим двигателем постоянного тока является бесконтактный двигатель с несимметричной четырехсекционной якорной обмоткой.

Abstract: This article describes the characteristics of DC, AC and, partially, universal current motors. The authors raise the problem of creating the most energy-efficient engine throughout the history of electrical engineering. Part of the article is devoted to the history of the creation of electric motors and the comparison of their efficiency values. An intermediate conclusion is made that the popularity of a particular motor is directly related to the prevalence of currents in a particular place. In the analytical part, the types of DC motors are considered, as well as the causes of their breakdowns and unreliability. A comparison of DC motors has been compiled. At the end of the article, it is concluded that the best DC motor is a contactless motor with an asymmetric four-section armature winding.

Ключевые слова: Постоянный и переменный ток, сравнение двигателей переменного тока, характеристика двигателей на переменном и постоянном токах.

Keywords: Direct and alternating current, comparison of alternating current motors, characteristics of alternating and direct current motors.

Тематическая рубрика: Технические науки и технологии.

 

ВВЕДЕНИЕ

Автомобили являются неотъемлемой частью жизни городского общества. Каждый день трамваи, троллейбусы, автобусы и такси перевозят большое число пассажиров. Отсюда следует огромная нагрузка на дорожные сети городов, которые в большинстве своем не могут обеспечить пассажиропоток хорошей пропускной способностью.

Кроме того, следует отметить тот факт, что содержание транспортных парков и их эксплуатация являются очень затратным действием, которое тяжелым бременем ложится на городской бюджет. Многие компании перевозчиков имеют многомиллионные долги перед энергетиками, которые не могут покрыть из-за небольшой прибыли, которая уходит на выплаты зарплат работникам и ремонт транспорта.

На протяжении столетий ученые всего мира пытались создать максимально энергоэффективный двигатель. Так, у тепловой машины Ползунова КПД был равен всего 1%, у двигателя внутреннего сгорания эффективность повысилась до 20-35%, а производительность реактивного двигателя равна максимальным 47%. [1]

Все эти значения кажутся нам значительными, но стоит понимать, что максимально-эффективным является двигатель с КПД 100%, однако такой прибор является скорее идеальной моделью того, что не может существовать в природе.

КПД электродвигателей определяют по формуле, где

 – КПД электродвигателя

 – полезная механическая мощность

 – мощность, потребляемая от электрического двигателя.

В среднем значения КПД электродвигателей варьируются от 0,6 до 0,9.

Такое большое значение, в отличие от ДВС, связано с несколькими факторами: во-первых, электродвигатель – это не тепловая машина, а значит энергия не тратится на охлаждение нагревателя (нагреватель и холодильник отсутствуют).

Во-вторых, в электродвигателях происходит однократное преобразование электрической энергии в механическую, а в ДВС происходит двукратное преобразование химической энергии топлива в тепловую энергию, и только после этого тепловая энергия преобразуется в механическую энергию.

На данный момент существуют несколько видов электродвигателей: переменного тока (синхронные и асинхронные), постоянного тока (коллекторные и бесколлекторные) и универсальные (подходят оба вида тока).

Популярность того или иного двигателя напрямую связана с распространенностью токов в том или ином месте. 

ДВИГАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО И ПОСТОЯННОГО ТОКА

Нам уже известно, что существует несколько видов двигателей постоянного, переменного и универсального (скрещение работ переменного и постоянного) токов, поэтому стоит узнать о них немного подробнее. Разберем каждый из них.

Двигатели постоянного тока изобрели в 19 веке и им есть применение и в наши дни. Так, например, в каждом мобильном устройстве встроен моторчик с небольшой мощностью в несколько мВ, который создает вибрацию при звонке или получении уведомления. Двигатель постоянного тока работает и в крупных масштабах.

Современные электровозы из-за частой смены темпа скорости перевели на двигатели с переменного тока на постоянный, который способен выдерживать нагрузки такой величины. Мощность такого агрегата исчисляется в сотнях кВт (больше 800), а питается все это от напряжения U=1,5 кВ. Открытие постоянного тока привнесло свои плюсы в работу и тяговых двигателей, которые можно встретить в тепловозах и теплоходах. Питанием двигателей этих транспортных средств является дизель, который заставляет генераторы переменного тока вырабатывать энергию электродвигателей, одновременно вынуждающий вращать колесную пару или гребные винты транспортного средства. Однако стоимость всего этого процесса является много затратной и не выгодной для дальнейшего использования. [2]

Поэтому мы переходим к двигателю на переменном токе, который является дешевым и главное надежным рабочим материалом. Генераторы на данном виде тока применяют на промышленных станциях, таких как: тепло-, гидро-, атомных, ветровых, приливных и термальных электростанциях (во всем мире, кроме США используются генераторы переменного тока с частотой - 50 Гц, в США – 60 Гц).

Если затронуть вопрос понижения и повышения переменного напряжения при нынешнем развитии электроэнергетической сферы, то переменный ток занимает более выигрышную позицию, чем конкуренты. Такой результат можно получить, используя относительно простое устройство, именуемое – трансформатором. Этот агрегат способен контролировать процесс понижения и повышения переменного напряжения, при этом сохраняя мощность работы с минимальными потерями, так как КПД трансформатора приближен к 99%.

Также не можем не упомянуть о электрических машинах переменного тока, в том числе и асинхронные короткозамкнутые роторные двигатели, которые гораздо проще по своей конструкции среди конкурентов. В таких двигателях отсутствует коллекторно-щеточный узел, тем самым снижая расходы на изготовление и эксплуатацию. Кроме этого за счет отсутствия коллекторно-щеточного узла достигается большая мощность, в сравнении с тем же двигателем постоянного или универсального тока. [3]

И все же, общий недостаток коллекторного и асинхронного двигателя классической конструкции – это выделение в роторе основной доли тепла, где теплоотвод довольно затруднен. Данный аспект снижает срок службы, увеличивает габариты, а также уменьшает надежность.

Что касается двигателя универсального тока, то на основе вышесказанного можно сказать, что его характеристика будет аналогичной постоянному и переменному. Единственное, что хочется добавить – это сведения о работоспособности данного двигателя и почему мы не будем его рассматривать в нашей аналитической части.

Двигатель на универсальном токе способен корректироваться во время работы между двумя токами. Он может работать как на постоянном и переменном токе, так и на двух токах сразу, совмещая два способа в один и получая все тот же результат. Главными минусами этого вида двигателя является его шумность, а также постоянный уход за узловыми щетками и коллекторами, которые необходимо чистить на регулярной основе. [4].

Мы не будем рассматривать двигатель на универсальном токе, так как он вбирает в себя навыки постоянного и переменного тока. Имея отдельно данные и того, и другого, нам будет проще рассматривать двигатели в аналитической и практической части.

Аналитическая часть.

Рассматривая двигатели постоянного тока, необходимо нам отметить какие виды сейчас существуют.

Все двигатели постоянного тока делятся на коллекторные и бесколлекторные. В свою очередь коллекторные двигатели бывают: с одним коллектором, с двумя коллекторами и двумя обмотками, с тремя коллекторами и тремя обмотками, с четырьмя коллекторами и двумя обмотками, а также другие. [5]

Несмотря на широкую популярность асинхронных двигателей переменного тока, двигатели постоянного тока используются в местах, где необходимо плавно регулировать скорости вращения, высокие перегрузочные, пусковые и тормозные моменты.

Одной из самых распространенных причин поломок двигателей такого типа является неисправность коллекторно-щеточного узла. Износ коллектора имеет сложную природу и обусловлен влиянием ряда эксплуатационных факторов. Большое влияние на износ коллектора оказывает состояние политуры, характер коммутационного процесса, наличие подгара на коллекторе.

Ключевую роль в надежности и долговечности коллекторно-щёточного узла играет техническое состояние щеток. Срок их службы зависит от физико-химических свойств, плотности тока под щётками и характерных особенностей процесса коммутации.

В свою очередь коммутационная надёжность электрических машин зависит от правильной геометрии коллектора, так как из-за воздействия технологических и эксплуатационных факторов он имеет свойство менять форму своей поверхности. [6]

В процессе решения данных проблем учеными-инженерами были изобретены бесконтактные двигатели постоянного тока. Их характерной особенностью является отсутствие скользящих контактов. Благодаря этому двигатели лучше работают при вибрациях, ускорениях, а также в удароопасных, химически нестабильных и взрывоопасных средах.

Характеристики бесколлекторного двигателя постоянного тока зависят от числа секций якорной обмотки, схемы обмотки и коммутации ее секций. Чаще всего применяют двигатели с трехсекционной якорной обмоткой, но также встречаются и двигатели несимметричной четырехсекционной якорной обмоткой.

Примером бесколлекторного электродвигателя является бесконтактный управляемый двигатель — это перспективный электродвигатель для компактных, надежных, регулируемых приводов любого назначения с наибольшим сроком службы, в особенности в тяжелых условиях эксплуатации (мороз, тепло, влажность, вибрации и др.). Они не требуют обслуживания и регламентных работ. [7]

Бесконтактный двигатель постоянного тока с несимметричной четырехсекционной якорной обмоткой создает больший электромагнитный момент. Поэтому БДПТ с несимметричной четырехсекционной якорной обмоткой может быть рекомендован для применения в качестве моментного электродвигателя.

ВЫВОД

Суммируя все положительные и отрицательные стороны БДПТ, мы видим, что бесконтактный двигатель постоянного тока с несимметричной четырехсекционной якорной обмоткой является отличной заменой ДВС и двигателям переменного тока в связи своей стабильности работы, неприхотливости в обслуживании и достаточной энергоэффективности для производственных нужд, а также в использовании бытовой техники повседневных нужд. Более того, двигатели на постоянном токе интегрированы в автомобильном и железнодорожном транспорте (электровозах), что является большим преимуществом среди своих аналогов в транспортной сфере.

 

Список литературы:

[1] Южаков М. И.Шихтмейстер. «Ползунов и его паровая машина». — Томск: Типолитография Макушина, 1906.

[2] М.И.Баранов, Т.Д.Шерстюкова Электротехническая «война» постоянного и переменного токов: краткая история и области их современного применения – 2010 - №4.

[3] Забарило Д. Школа электроники – “Постоянный и переменный ток: преимущества и недостатки” // Научный сайт «Диодов» 2021.

[4] “Виды электродвигателей: классификация, принцип работы” // Онлайн-журнал "Электрознаток" 2021.

[5] Герасимов В. Г., Кузнецов Э. В., Николаева О. В. Электротехника и электроника. Кн. 2. Электромагнитные устройства и электрические машины. — М.: Энергоатомиздат, 1996. — С. 62.

[6] В.М.Гридин. «Электромагнитные характеристики моментных бесконтактных двигателей постоянного тока». ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2011. № 2.

[7] Бурков А.Ф., Катаев Е.В., Кувшинов Г.Е., Чупина К. В. «Анализ надёжности электродвигателей, используемых в современных электроприводах» // Электронная библиотека «КиберЛенинка» 2017.