Электродвигатели постоянного тока 220 В

Электродвигатели постоянного тока 220 В: устройство, принцип действия, классификация и применение

Электродвигатели постоянного тока (ДПТ), рассчитанные на номинальное напряжение 220 В, представляют собой класс электрических машин, преобразующих электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию вращения. Несмотря на широкое распространение асинхронных двигателей с частотными преобразователями, ДПТ сохраняют свою актуальность в ряде отраслей благодаря уникальным регулировочным и пусковым характеристикам. Напряжение 220 В является распространенным стандартом, позволяющим подключать такие двигатели к выпрямительным установкам или непосредственно к сетям постоянного тока на промышленных предприятиях, судах, в тяговых и специальных применениях.

Устройство и основные компоненты

Конструктивно электродвигатель постоянного тока 220 В состоит из двух основных частей: неподвижного статора (индуктора) и вращающегося ротора (якоря).

Статор (Индуктор): Служит для создания основного магнитного потока. Включает в себя:
- Полюса с обмоткой возбуждения: Электромагниты или постоянные магниты, создающие магнитное поле. В двигателях 220 В чаще применяются электромагниты (обмотка возбуждения), питаемые постоянным током.
- Станину (корпус): Изготавливается из стали, является магнитопроводом и механической основой.
- Подшипниковые щиты: Содержат подшипники для вала ротора.
Ротор (Якорь): Вращающаяся часть, в которой наводится ЭДС и протекает ток.
- Сердечник якоря: Набирается из изолированных листов электротехнической стали для снижения потерь на вихревые токи. Имеет пазы для укладки обмотки.
- Обмотка якоря: Состоит из секций, уложенных в пазы сердечника и соединенных с пластинами коллектора.
- Коллектор (токосъемный узел): Цилиндр из изолированных друг от друга медных пластин, к которым присоединяются выводы секций обмотки якоря. Является механическим выпрямителем.
- Щеточный аппарат: Неподвижные графитовые или медно-графитовые щетки, прижимаемые к коллектору для подвода тока от внешней цепи к вращающейся обмотке якоря.

Принцип действия

Принцип работы основан на взаимодействии магнитного поля статора и проводника с током в обмотке якоря. При подаче постоянного напряжения 220 В на обмотку возбуждения и якорь, по проводникам якоря протекает ток. На проводники с током, находящиеся в магнитном поле полюсов, действует сила Ампера (сила Лоренца), создающая вращающий момент. Для обеспечения непрерывного вращения направление тока в проводниках якоря при переходе из-под одного полюса под другой изменяется с помощью коллектора и щеточного узла. Таким образом, коллектор выполняет функцию автоматического переключателя направления тока в секциях обмотки, поддерживая постоянное направление вращающего момента.

Классификация по способу возбуждения

Ключевой характеристикой ДПТ является способ подключения обмотки возбуждения относительно обмотки якоря. Для двигателей на 220 В применяются следующие схемы:

Двигатель с независимым возбуждением (ДПТ НВ): Обмотка возбуждения (ОВ) электрически не связана с обмоткой якоря и питается от отдельного источника постоянного напряжения. Это обеспечивает независимое регулирование магнитного потока и момента. Наиболее гибкая и распространенная схема для прецизионного регулирования.
Двигатель с параллельным возбуждением (ДПТ ПВ): ОВ подключена параллельно обмотке якоря к общему источнику 220 В. Характеризуется постоянной скоростью вращения при изменении нагрузки в широких пределах. Требует защиты от обрыва цепи возбуждения во избежание разноса.
Двигатель с последовательным возбуждением (ДПТ СВ): ОВ включена последовательно с обмоткой якоря. Обладает высоким пусковым моментом, который пропорционален квадрату тока. Скорость сильно зависит от нагрузки. Применяется в тяговых приводах, крановых и стартерных механизмах. Опасность разноса при холостом ходе.
Двигатель со смешанным возбуждением (ДПТ СмВ): Имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную. Совмещает свойства двигателей ПВ и СВ: большой пусковой момент и ограниченную скорость на холостом ходу.
Двигатель с постоянными магнитами (ДПТ ПМ): Вместо обмотки возбуждения используются мощные постоянные магниты (ферритовые, неодимовые). Отличается высоким КПД, простотой конструкции, лучшими массогабаритными показателями. Регулирование осуществляется только изменением напряжения на якоре.

Основные характеристики и уравнения

Работа ДПТ 220 В описывается системой уравнений, определяющих его электромеханические свойства.

Уравнение электрического состояния цепи якоря: U = E + I_яR_я, где U – напряжение питания якоря (220 В), E – противо-ЭДС, I_я – ток якоря, R_я – сопротивление цепи якоря.

Уравнение противо-ЭДС: E = c_eФn, где c_e – конструктивная постоянная двигателя, Ф – магнитный поток возбуждения, n – частота вращения (об/мин).

Уравнение электромагнитного момента: M = c_mФI_я, где c_m – конструктивная постоянная момента.

Механическая характеристика: n = (U / (c_eФ)) – (R_я / (c_ec_mФ²))

M. Представляет собой зависимость скорости от момента на валу.

Способы регулирования скорости и момента

Главное преимущество ДПТ – широкий диапазон плавного регулирования скорости.

Регулирование изменением напряжения на якоре (при постоянном потоке Ф): Осуществляется с помощью управляемого выпрямителя (тиристорного преобразователя) или широтно-импульсного преобразователя (ШИП). Обеспечивает регулирование скорости ниже номинальной. Характеристики семейства параллельных прямых. Момент определяется током якоря и не зависит от скорости.
Регулирование изменением магнитного потока возбуждения (при постоянном напряжении якоря): Ослабление потока Ф (уменьшением тока возбуждения) позволяет регулировать скорость выше номинальной. Мощность при этом остается постоянной, а момент падает. Используется для «разгона» двигателя после достижения номинальной скорости якорным регулированием.
Регулирование введением добавочного сопротивления в цепь якоря: Наиболее простой, но неэкономичный способ, приводящий к большим потерям в реостате. Применяется редко, в основном для ограничения пускового тока.

Пуск в ход и торможение

Прямой пуск ДПТ 220 В недопустим из-за низкого сопротивления обмотки якоря, что приводит к броску тока в 10-30 раз превышающему номинальный. Для ограничения пускового тока применяют:

Пусковые реостаты: Последовательно с якорем включается ступенчатый резистор, сопротивление которого постепенно выводится по мере разгона.
Системы управляемого пуска: Плавное нарастание напряжения на якоре с помощью тиристорного преобразователя или ШИП-контроллера. Это современный и наиболее эффективный метод.

Торможение ДПТ может осуществляться тремя способами:

Рекуперативное (генераторное) торможение с отдачей энергии в сеть: Возможно при работе двигателя со скоростью выше идеальной холостого хода. Двигатель переходит в генераторный режим.
Торможение противовключением: Изменение полярности напряжения на якоре при неизменной полярности потока (или наоборот). Требует ограничения тока. Очень эффективно для быстрой остановки.
Динамическое торможение: Цепь якоря отключается от сети и замыкается на тормозной резистор. Двигатель работает как генератор, рассеивая энергию в резисторе.

Области применения двигателей постоянного тока 220 В

Двигатели данного класса находят применение в системах, требующих точного регулирования скорости и момента в широком диапазоне.

Приводы металлообрабатывающих станков (токарные, фрезерные, шлифовальные).
Подъемно-транспортное оборудование (краны, лебедки, лифты малой и средней мощности).
Приводы вентиляторов и насосов с регулируемым расходом.
Специализированное промышленное оборудование (бумагоделательные машины, экструдеры, текстильные машины).
Испытательные стенды и исследовательские установки.
Судовые вспомогательные механизмы (при работе от судовой сети постоянного тока).

Сравнительные характеристики схем возбуждения (для напряжения 220 В)

Тип двигателя	Характер механической характеристики	Пусковой момент	Регулирование скорости	Типичные применения
Независимого/Параллельного возбуждения	Жесткая (небольшой спад скорости при увеличении момента)	Средний (M_пуск ≈ (1.5-2)M_ном)	Широкое и плавное: вниз от номинала – изменением U_я, вверх – ослаблением Ф	Станки, вентиляторы, точные приводы
Последовательного возбуждения	Мягкая (скорость сильно падает с ростом момента)	Очень высокий (M_пуск ≈ (3-5)M_ном)	Изменением U_я. Ослабление потока не применяется.	Тяговые привода, краны, лебедки
Смешанного возбуждения	Промежуточная, ближе к жесткой	Высокий	Комбинированное	Привода с высокими пусковыми моментами и ограничением скорости на холостом ходу
С постоянными магнитами	Жесткая	Высокий	Только изменением U_я (вниз от номинала)	Робототехника, сервоприводы, автомобильные вспомогательные системы

Эксплуатационные особенности и обслуживание

Основные недостатки ДПТ связаны с наличием коллекторно-щеточного узла:

Искрение и износ щеток: Требует регулярной замены щеток, чистки и проточки коллектора.
Ограниченная стойкость к окружающей среде: Угольная пыль от щеток, чувствительность к влаге, пыли, агрессивным средам. Требуются защищенные исполнения (IP54, IP65).
Сложность и стоимость: Выше, чем у асинхронных двигателей аналогичной мощности.
Ограничения по скорости и мощности: Из-за механических ограничений коллектора.

Обслуживание включает в себя: контроль состояния щеток и коллектора (чистота, отсутствие подгаров), измерение изоляции мегаомметром, проверку и регулировку натяжения подшипников, контроль воздушного зазора.

Современные тенденции и альтернативы

Классические коллекторные ДПТ 220 В активно вытесняются в новых проектах бесколлекторными двигателями постоянного тока (БДПТ, BLDC) и асинхронными двигателями с частотными преобразователями. БДПТ, имея те же преимущества в регулировании, лишены недостатков коллекторного узла, обладают большим сроком службы и надежностью. Однако для многих существующих установок и в специфических применениях (например, с высокими требованиями к динамике и перегрузочной способности) традиционные ДПТ на 220 В остаются оптимальным технико-экономическим решением.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается двигатель на 220 В постоянного тока от двигателя на 220 В переменного тока?

Это принципиально разные машины. Двигатель постоянного тока требует для работы источник постоянного напряжения и имеет коллекторно-щеточный узел. Однофазный асинхронный двигатель на 220 В переменного тока работает от сети переменного тока, не имеет коллектора, но для пуска требует пусковую емкость или другую схему создания вращающегося поля. Их характеристики регулирования также кардинально различаются.

Можно ли подключить двигатель постоянного тока 220 В напрямую в розетку 220 В?

Нет, категорически нельзя. Бытовая розетка 220 В является источником переменного тока. Подача переменного напряжения на ДПТ приведет к сильному нагреву, вибрации, искрению на коллекторе и быстрому выходу двигателя из строя. Для питания требуется источник постоянного напряжения 220 В (выпрямитель, преобразователь).

Что будет, если перепутать полярность подключения на двигателе постоянного тока 220 В?

Для двигателя с независимым или параллельным возбуждением это приведет к изменению направления вращения. Для двигателя с последовательным возбуждением направление вращения не изменится, так как одновременно меняется направление тока и в якоре, и в обмотке возбуждения. Важно соблюдать полярность, указанную на клеммной коробке, для обеспечения заданного направления вращения.

Как определить необходимую мощность двигателя для привода насоса/вентилятора?

Мощность двигателя выбирается исходя из механической мощности на валу рабочей машины с учетом коэффициента запаса (обычно 10-15%). Для насосов и вентиляторов мощность пропорциональна кубу скорости, поэтому при использовании регулируемого привода на ДПТ можно существенно экономить энергию, снижая скорость.

Почему двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением может «пойти вразнос»?

Разнос происходит при резком снижении или обрыве магнитного потока возбуждения (обрыв цепи ОВ, резкое падение тока возбуждения) при сохранении номинального напряжения на якоре. Согласно уравнению скорости n = U/(c_eФ), при Ф → 0 скорость стремится к бесконечности. Двигатель развивает опасные для механической прочности обороты. Для защиты применяют реле минимального тока возбуждения, которое отключает цепь якоря при исчезновении тока в ОВ.

Какие системы управления (приводы) используются для ДПТ 220 В сегодня?

Современные системы управления строятся на основе полностью управляемых силовых ключей:

Тиристорные преобразователи (ТП): Для мощных приводов, питающихся от трехфазной сети.
Широтно-импульсные преобразователи (ШИП) на IGBT или MOSFET транзисторах: Для приводов малой и средней мощности. Обеспечивают лучшее качество напряжения (меньше пульсаций), более высокий КПД и широкий диапазон регулирования.

Управление может быть одноконтурным (по скорости) или двухконтурным (внутренний контур тока, внешний контур скорости/момента).

Как часто нужно обслуживать коллектор и щетки двигателя 220 В?

Периодичность зависит от режима работы (нагрузки, числа пусков) и условий окружающей среды. В стандартных промышленных условиях визуальный контроль состояния коллектора (цвет, наличие нагара) и щеток (длина, равномерность прилегания) следует проводить не реже 1 раза в месяц. Техническое обслуживание с чисткой, продувкой, измерением износа щеток – согласно регламенту производителя, обычно каждые 2000-4000 часов работы. Щетки заменяются при износе до минимально допустимой длины.

Электродвигатели постоянного тока 220 В