Электродвигатели постоянного тока S1

Электродвигатели постоянного тока в режиме работы S1: конструкция, принцип действия, применение и расчет

Электродвигатели постоянного тока (ДПТ) в режиме работы S1 (непрерывный режим) представляют собой классическое решение для электроприводов, требующих высокой перегрузочной способности, точного регулирования скорости в широком диапазоне и стабильности работы на низких оборотах. Режим S1, согласно международной классификации по ГОСТ Р МЭК 60034-1 и IEC 60034-1, характеризуется работой при постоянной нагрузке в течение времени, достаточного для достижения двигателем установившегося теплового состояния. Это основной, базовый режим, на который чаще всего ориентируются при проектировании и выборе электропривода.

Конструкция и основные компоненты ДПТ

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

• Статор (Индуктор): Служит для создания основного магнитного потока. В зависимости от типа двигателя, может включать:
  • Постоянные магниты (ДПТ ПМ) – создают постоянное поле без затрат энергии, характерны для маломощных двигателей.
  • Обмотки возбуждения на полюсах сердечника – питаются постоянным током. Сердечник полюса выполняется из ферромагнитного материала для усиления магнитного потока.
• Ротор (Якорь): Состоит из сердечника, набранного из изолированных листов электротехнической стали (для снижения потерь на вихревые токи), уложенной в его пазах обмотки якоря, и коллекторно-щеточного узла.
• Коллекторно-щеточный узел: Ключевой узел классического ДПТ. Коллектор – механический переключатель (цилиндр из медных пластин, изолированных друг от друга), установленный на валу ротора. Щетки (графитовые или медно-графитовые) – скользящие контакты, через которые напряжение подводится к вращающейся обмотке якоря. Этот узел обеспечивает коммутацию тока в обмотках якоря, но является источником искрения, потерь и требует периодического обслуживания.

Принцип действия и основные уравнения

Работа ДПТ основана на взаимодействии магнитного поля статора и тока в проводниках обмотки якоря. При подаче постоянного напряжения на обмотку якоря через щеточный узел, по ее проводникам протекает ток. На находящиеся в магнитном поле проводники действует сила Ампера, создающая вращающий момент. Для непрерывного вращения момент должен быть постоянным по направлению, что и обеспечивает коллектор, переключая секции обмотки при переходе через нейтральную зону.

Основные уравнения, описывающие работу ДПТ в установившемся режиме S1:

• Уравнение напряжения цепи якоря: U = E + I_aR_a, где U – напряжение питания якоря, E – противо-ЭДС, I_a – ток якоря, R_a – сопротивление цепи якоря.
• Уравнение противо-ЭДС: E = k_EΦω, где k_E – конструктивная постоянная двигателя, Φ – магнитный поток возбуждения, ω – угловая скорость вращения.
• Уравнение электромагнитного момента: M = k_MΦI_a, где k_M – конструктивная постоянная момента.

Из этих уравнений следует, что скорость вращения ДПТ прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку, а момент – произведению потока на ток якоря.

Способы возбуждения ДПТ и их характеристики в режиме S1

Свойства двигателя в значительной степени определяются способом подключения обмотки возбуждения. В режиме S1 это критично для термостойкости и рабочих характеристик.

Таблица 1: Способы возбуждения ДПТ и их характеристики в режиме S1

Способ возбуждения	Схема подключения	Характеристики скорости и момента	Типичное применение в S1	Особенности работы в продолжительном режиме
Независимое	Обмотка возбуждения (ОВ) и якорь питаются от независимых источников.	Жесткая механическая характеристика (незначительное падение скорости с ростом момента). Скорость регулируется изменением Uя или Φв.	Прецизионные станки, приводы прокатных станов, лабораторные установки.	Наибольшая гибкость регулирования. Тепловыделение от обмоток якоря и возбуждения разделено. Позволяет реализовать как ослабление поля для расширения диапазона скоростей, так и его стабилизацию.
Параллельное (шунтовое)	ОВ подключена параллельно обмотке якоря к одному источнику.	Характеристики аналогичны независимому возбуждению. Жесткая характеристика, хорошая стабильность скорости.	Вентиляторы, насосы, конвейеры, генераторы постоянного тока.	Обрыв цепи возбуждения при работе приводит к «разносу» двигателя (резкому росту скорости) из-за падения Φ до остаточного. Требуется защита.
Последовательное	ОВ включена последовательно с обмоткой якоря.	Мягкая характеристика: момент пропорционален квадрату тока (M ~ I2). Высокий пусковой момент. Скорость резко падает с увеличением нагрузки.	Тяговый привод (электровозы, трамваи, стартеры), крановые и лебедочные механизмы.	Работа на холостом ходу или при малой нагрузке недопустима – скорость может возрасти до опасных значений («разнос»). В S1 требуется постоянный контроль нагрузки.
Смешанное (компаундное)	Имеются и последовательная, и параллельная обмотки возбуждения.	Промежуточная характеристика. Зависит от соотношения обмоток. Позволяет получить жесткую характеристику с повышенным пусковым моментом.	Прессы, тяжелые станки, приводы с частыми пусками под нагрузкой.	Компенсирует падение скорости при нагрузке за счет действия последовательной обмотки. Обеспечивает стабильную работу в S1 при переменных нагрузках.

Тепловой расчет и выбор двигателя для режима S1

Ключевой критерий выбора ДПТ для продолжительного режима – тепловая стойкость изоляции обмоток. В режиме S1 все потери мощности (электрические в обмотках якоря и возбуждения, магнитные в сердечниках, механические в подшипниках и на вентиляцию) преобразуются в тепло. Температура двигателя повышается до установившегося значения, при котором теплоотдача в окружающую среду равна тепловыделению.

Процесс нагрева описывается экспоненциальной зависимостью с постоянной времени нагрева (τ_н), которая для ДПТ средней мощности составляет десятки минут. При выборе необходимо убедиться, что установившаяся температура перегрева (разность температур обмотки и окружающей среды) не превышает допустимую для класса изоляции (например, 105°C для класса F, 130°C для класса H).

Порядок выбора двигателя для S1:

1. Определение требуемой мощности на валу P₂ и номинальной скорости ω_н.
2. Предварительный выбор двигателя с номинальной мощностью P_ном ≥ P₂.
3. Проверка по перегрузочной способности: M_max/M_ном ≥ M_c.max/M_ном, где M_max – максимальный момент двигателя (ограничен коммутацией или механической прочностью), M_c.max – максимальный момент сопротивления нагрузки.
4. Проверка по механической характеристике: соответствие требуемому диапазону регулирования и жесткости.
5. Окончательная проверка теплового режима (часто осуществляется методом эквивалентного тока или момента, если нагрузка переменна).

Преимущества и недостатки ДПТ в режиме S1 по сравнению с асинхронными двигателями

Таблица 2: Сравнение ДПТ и АД в продолжительном режиме работы

Критерий	Двигатель постоянного тока (ДПТ)	Асинхронный двигатель (АД) с частотным преобразователем (ЧП)
Регулирование скорости	Простое, плавное и точное в широком диапазоне (1:1000 и более) без обратной связи по скорости. Регулирование изменением напряжения якоря и потока возбуждения.	Требует обязательного применения ЧП. Диапазон регулирования при векторном управлении без датчика скорости 1:100, с датчиком – до 1:1000 и более.
Пусковые и перегрузочные свойства	Очень высокий пусковой момент (до 3-4 Mном и более у двигателей последовательного возбуждения). Плавный пуск реостатом или системой управления.	Пусковой момент ограничен (обычно 1.5-2.2 Mном). Для плавного пуска требуется устройство плавного пуска или ЧП.
Надежность и обслуживание	Низкая из-за наличия коллекторно-щеточного узла. Требует регулярной замены щеток, чистки коллектора, проточки. Искрение, риск кругового огня.	Высокая. Конструкция простая и надежная, не требующая регулярного обслуживания токосъемного узла.
Стоимость и КПД	Сам двигатель дороже АД аналогичной мощности. Система управления (тиристорный преобразователь) проще и дешевле ЧП. КПД на номинальном режиме сопоставим, но снижается из-за потерь в щеточном контакте.	Двигатель дешевле. Стоимость системы «АД+ЧП» часто выше, чем «ДПТ+преобразователь». КПД системы высокий.
Габариты и масса	Больше при одинаковой мощности из-за наличия коллектора и щеточного аппарата.	Меньше при одинаковой мощности.

Области применения ДПТ в режиме S1

Несмотря на конкуренцию со стороны частотно-регулируемых асинхронных приводов, ДПТ сохраняют позиции в ряде областей благодаря уникальным характеристикам:

• Металлообрабатывающее оборудование: Приводы главного движения и подач станков (токарных, фрезерных, шлифовальных), где требуется высокое качество поверхности и точность позиционирования.
• Промышленные роботы и манипуляторы: В сервоприводах, где критичны динамика и перегрузочная способность.
• Бумажное и полиграфическое производство: Приводы с необходимостью точного поддержания натяжения полотна и синхронизации нескольких валов.
• Подъемно-транспортное оборудование: Крановые двигатели смешанного возбуждения, лифтовые приводы (особенно в модернизированных системах).
• Испытательные стенды и исследовательское оборудование: Где двигатель часто работает в режиме генератора (рекуперативное торможение) для создания нагрузочного момента.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Что означает индекс «S1» в обозначении двигателя?

Индекс S1 обозначает номинальный режим работы – продолжительный (непрерывный). Двигатель работает под постоянной нагрузкой достаточно долго для достижения установившейся температуры всех его частей. Это самый распространенный и базовый режим.

2. Можно ли использовать двигатель, рассчитанный на S1, в повторно-кратковременном режиме (например, S3)?

Да, но с существенными ограничениями по нагрузке. В режиме S3 периоды работы чередуются с паузами, что позволяет за время паузы охладиться. Следовательно, в периоды включения двигатель может быть нагружен током, превышающим номинальный для S1, без превышения средней температуры. Точный выбор требует расчета эквивалентной нагрузки по методикам, указанным в стандартах. Без такого расчета работа на номинальном для S1 моменте в режиме S3 будет неоправданным недогрузом.

3. Почему для ДПТ последовательного возбуждения опасен режим холостого хода в S1?

В ДПТ последовательного возбуждения магнитный поток Φ создается током якоря I_a. На холостом ходу момент нагрузки мал, следовательно, мал и ток якоря, и поток. Из уравнения скорости ω ≈ U / (k_EΦ) следует, что при стремлении Φ к нулю (остается лишь поток от остаточной намагниченности) скорость ω стремится к бесконечно большому значению. Это явление, называемое «разносом», механически разрушает двигатель.

4. Как осуществляется торможение ДПТ в продолжительном режиме?

Основные способы торможения:
Рекуперативное (генераторное с отдачей энергии в сеть): Возможно только если источник питания (преобразователь) способен принимать энергию. Двигатель переходит в генераторный режим, его момент становится тормозным.
Динамическое (реостатное): Цепь якоря отключается от сети и замыкается на тормозной реостат. Двигатель работает как генератор на собственную нагрузку, энергия рассеивается в реостате.
Торможение противовключением: Изменяется полярность напряжения на якоре (или на обмотке возбуждения), что приводит к появлению момента, противоположного вращению. Требует отключения при остановке во избежание реверса.

5. Каковы современные тенденции в применении ДПТ? Вытесняются ли они полностью асинхронными приводами?

В области приводов общепромышленных механизмов мощностью до нескольких сотен кВт частотно-регулируемые асинхронные приводы (АД с ЧП) действительно стали доминирующим решением благодаря надежности и снижению стоимости силовой электроники. Однако ДПТ сохраняют ниши:
— Высокодинамичные сервоприводы на базе бесколлекторных двигателей постоянного тока (БДПТ, BLDC), которые конструктивно являются ДПТ с электронной коммутацией.
— Мощные приводы в металлургии и горнодобыче (на мегаваттные мощности).
— Специализированные применения, где критичны точность регулирования на низких скоростях или рекуперация.
Таким образом, классические коллекторные ДПТ постепенно сдают позиции, но их принцип и преимущества реализуются в современных бесколлекторных конструкциях.