Основы работы электродвигателей переменного и постоянного тока

Электродвигатели широко используются во всех областях автоматизации и движущихся механизмах. Основная задача любого электродвигателя — преобразование электрической энергии в механическую. Чаще всего двигатели вращаются, создавая вращательное движение, при этом крутящий момент и мощность могут регулироваться с помощью зубчатых колес и ремней. Другие типы двигателей подключаются через зубчатые передачи к направляющим, преобразуя вращательное движение в линейное.

Существует множество различных типов электродвигателей, и правильный выбор двигателя может определить, будет ли он долговечным и эффективным или, напротив, проблемным и неэффективным. Одним из ключевых параметров является то, работает ли двигатель на переменном токе (AC) или постоянном токе (DC). Оба типа имеют свои преимущества и недостатки, а также особенности применения в промышленной среде.

Электродвигатели переменного тока (AC)

Электродвигатели переменного тока преобразуют переменный электрический ток во вращающееся магнитное поле. Это магнитное поле вращает ротор, который соединён с выходным валом. Выходной вал, в свою очередь, может быть соединён с маховиком, кожухом вентилятора или насосом для выполнения полезной работы.

Электродвигатель переменного тока в разрезе

Ключевые элементы электродвигателя переменного тока включают:

• Статор: это неподвижная часть, состоящая из проводящих катушек. Когда ток проходит через статор, его направление периодически меняется, создавая вращающееся магнитное поле.
• Ротор: вращающаяся часть двигателя, которая взаимодействует с магнитным полем статора и начинает вращаться, передавая крутящий момент на выходной вал.

На рисунке ниже показан разрез электродвигателя переменного тока. Видно статор с его обмотками и магниты, расположенные на роторе.

Электродвигатели постоянного тока (DC)

Электродвигатели постоянного тока также содержат статор, который, как и в случае с переменным током, остаётся неподвижным. Однако в данном случае статор состоит из двух постоянных магнитов с противоположными полярностями, вместо катушек, используемых в двигателях переменного тока. Между этими магнитами находится ротор (также называемый "якорем"), представляющий собой катушку проводника, намотанную на металлическое сердечниковое основание. На конце ротора расположен коммутатор — устройство, состоящее из тонких пластин, через которые проходит ток по мере вращения двигателя. Кроме того, источник постоянного тока подключается через угольные щётки, которые передают ток на коммутатор.

Ротор электродвигателя постоянного тока

На рисунке ниже представлена конструкция ротора маленького электродвигателя постоянного тока. Намотанные провода создают электромагнит, который взаимодействует с постоянными магнитами статора. Коммутатор состоит из плоских медных пластин, с которыми соприкасаются угольные щётки. Эти щётки периодически размыкают и замыкают цепь, изменяя полярность обмотки и заставляя электромагнит менять направление вращения.

Когда источник постоянного тока включён, ток проходит через угольные щётки, затем через коммутатор и, наконец, через проводящие обмотки. Это создаёт магнитное поле, которое отталкивается от одного постоянного магнита и притягивается к другому. По мере вращения двигателя контакт между щётками и коммутатором временно размыкается, после чего восстанавливается уже с противоположной стороны. Этот процесс меняет полярность ротора, что обеспечивает его непрерывное вращение.

Сравнение электродвигателей переменного и постоянного тока

Преимущества электродвигателей переменного тока:
Электродвигатели переменного тока отлично подходят для задач, где требуется регулировка скорости. Их скорость может изменяться с помощью частотного преобразователя (ВЧП), который регулирует частоту подаваемого тока, влияя на скорость вращения двигателя. Современные алгоритмы управления, такие как пропорционально-интегрально-дифференциальный (PID) регулятор, позволяют осуществлять точное управление. Например, представьте сборочную линию, которая должна многократно останавливаться и запускаться. Если на этой линии работают вертикально стоящие стеклянные бутылки, запуск и остановка должны быть максимально плавными, чтобы исключить их опрокидывание.

Электродвигатели переменного тока легче по конструкции при той же мощности, чем двигатели постоянного тока. Это связано с тем, что постоянные магниты в статоре DC-двигателей значительно тяжелее катушек, используемых в AC-двигателях.

Преимущества электродвигателей постоянного тока:
Двигатели постоянного тока запускаются быстрее и обеспечивают высокий крутящий момент при старте. Это делает их особенно полезными для крупногабаритного стационарного оборудования. Также они находят широкое применение в устройствах, работающих от аккумуляторов, например, в электромобилях, скутерах и портативной электронике. Большинство маленьких потребительских устройств с движущимися частями используют именно электродвигатели постоянного тока.

Хотя электродвигатели переменного тока теоретически подходят для транспортных средств благодаря своей лёгкости и возможности точной регулировки скорости, есть нюансы. Преобразование энергии от источника постоянного тока (генератор/аккумулятор) в переменный ток неэффективно, что снижает экономичность такого подхода. Кроме того, современные системы управления динамическим торможением и сопротивлением позволяют устранить рывки, характерные для ранних моделей DC-двигателей, что делает постояннотоковые двигатели стандартом для транспорта.

Дополнительные аспекты эксплуатации

Любой электродвигатель имеет свои особенности эксплуатации. Например, у детских игрушек с маленькими DC-двигателями требуется небольшой крутящий момент для вращения колёс. Однако при увеличении масштаба двигателя требования к крутящему моменту возрастают, что приводит к увеличению потребляемого тока.

При эксплуатации важно учитывать естественные ограничения. Двигатель может безопасно потреблять только определённый максимум тока. Чтобы снизить пусковой ток, в цепь добавляют стартер с последовательным сопротивлением, который ограничивает ток до безопасного уровня.

Это дополнительное сопротивление необходимо отключать после достижения стабильной работы двигателя. Физика помогает справиться с этой задачей: когда ротор вращается в магнитном поле, он генерирует напряжение, противоположное исходному току, известное как "обратная ЭДС" (электродвижущая сила). Чем выше скорость ротора, тем больше обратная ЭДС, что снижает эффективное сопротивление стартера.

Заключительные рекомендации

Выбор подходящего электродвигателя для конкретной задачи требует тщательного анализа и понимания физических принципов работы электромагнитных полей. Необходимо учитывать размеры двигателя, требуемый крутящий момент и скорость, а также условия эксплуатации, источник питания и систему управления.

После установки важно разработать график регулярного обслуживания и вести журнал состояния двигателя, чтобы своевременно выявлять возможные неисправности.