Устройство и схема подключения коллекторного двигателя переменного тока

Устройство и схема подключения коллекторного двигателя переменного тока

Коллекторные двигатели переменного тока достаточно широко применяются как силовые агрегаты бытовой техники, ручного электроинструмента, электрооборудования автомобилей, систем автоматики. Схема подключения двигателя, а также его устройство напоминают схему и устройство электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

Область применения таких моторов обусловлена их компактностью, малым весом, легкостью управления, сравнительно невысокой стоимостью. Наиболее востребованы в этом производственном сегменте электродвигатели малой мощности с высокой частотой вращения.

Особенности конструкции и принцип действия

По сути, коллекторный двигатель представляет собой достаточно специфичное устройство, обладающее всеми достоинствами машины постоянного тока и, в силу этого, обладающее схожими характеристиками. Отличие этих двигателей состоит в том, что корпус статора мотора переменного тока для снижения потерь на вихревые токи выполняется из отдельных листов электротехнической стали. Обмотки возбуждения машины подключаются последовательно для оптимизации работы в бытовой сети 220в.

Могут быть как одно-, так и трехфазными, благодаря способности работать от постоянного и переменного тока называются ещё универсальными. Кроме статора и ротора конструкция включает щеточно-коллекторный механизм и тахогенератор. Вращение ротора в коллекторном электродвигателе возникает в результате взаимодействия тока якоря и магнитного потока обмотки возбуждения. Через щетки ток подается на коллектор, собранный из пластин трапецеидального сечения и является одним из узлов ротора, последовательно соединенного с обмотками статора.

В целом принцип работы коллекторного мотора можно наглядно продемонстрировать с помощью известного со школы опыта с вращением рамки, помещенной между полюсами магнитного поля. Если через рамку протекает ток, она начинает вращаться под действием динамических сил. Направление движения рамки не меняется при изменении направления движения тока в ней.

Последовательное подсоединение обмоток возбуждения дает большой максимальный момент, но появляются большие обороты холостого хода, способные привести к преждевременному выходу механизма из строя.

Упрощенная схема подключения

Типовая схема подключения может предусматривать до десяти выведенных контактов на контактной планке. Ток от фазы L протекает до одной из щеток, затем передается на коллектор и обмотку якоря, после чего проходит вторую щетку и перемычку на обмотки статора и выходит на нейтраль N. Такой способ подключения не предусматривает реверс двигателя вследствие того, что последовательное подсоединение обмоток ведет к одновременной замене полюсов магнитных полей и в результате момент всегда имеет одно направление.

Направление вращения в этом случае можно изменить, только поменяв местами выхода обмоток на контактной планке. Включение двигателя «напрямую» выполняется только с подсоединенными выводами статора и ротора (через щеточно-коллекторный механизм). Вывод половины обмотки используется для включения второй скорости. Следует помнить, что при таком подключении мотор работает на полную мощность с момента включения, поэтому эксплуатировать его можно не более 15 секунд.

Управление работой двигателя

На практике используются двигатели с различными способами регулирования работы. Управление коллекторным мотором может осуществляться с помощью электронной схемы, в которой роль регулирующего элемента выполняет симистор, «пропускающий» заданное напряжение на мотор. Симистор работает, как быстросрабатывающий ключ, на затвор которого приходят управляющие импульсы и открывают его в заданный момент.

В схемах с использованием симистора реализован принцип действия, основанный на двухполупериодном фазовом регулировании, при котором величина подаваемого на мотор напряжения привязана к импульсам, поступающим на управляющий электрод. Частота вращения якоря при этом прямо пропорциональна приложенному к обмоткам напряжению. Принцип работы схемы управления коллекторным двигателем упрощенно описывается следующими пунктами:

• электронная схема подает сигнал на затвор симистора,
• затвор открывается, по обмоткам статора течет ток, придавая вращение якорю М двигателя,
• тахогенератор преобразует в электрические сигналы мгновенные величины частоты вращения, в результате формируется обратная связь с импульсами управления,
• в результате ротор вращается равномерно при любых нагрузках,
• реверс электродвигателя осуществляется с помощью реле R1 и R

Помимо симисторной существует фазоимпульсная тиристорная схема управления.

Преимущества и недостатки

К неоспоримым достоинствам таких машин следует отнести:

• компактные габариты,
• увеличенный пусковой момент, «универсальность» работа на переменном и постоянном напряжении,
• быстрота и независимость от частоты сети,
• мягкая регулировка оборотов в большом диапазоне с помощью варьирования напряжения питания.

Недостатком этих двигателей принято считать использование щеточно-коллекторного перехода, который обуславливает:

• снижение долговечности механизма,
• искрение между и коллектором и щетками,
• повышенный уровень шумов,
• большое количество элементов коллектора.

Типичные неисправности

Наибольшего внимания к себе требует щеточно-коллекторный механизм, в котором наблюдается искрение даже при работе нового двигателя. Сработанные щетки следует заменить для предотвращения более серьезных неисправностей: перегрева ламелей коллектора, их деформации и отслаивания. Кроме того, может произойти межвитковое замыкание обмоток якоря или статора, в результате которого происходит значительное падение магнитного поля или сильное искрение коллекторно-щеточного перехода.

Избежать преждевременного выхода из строя универсального коллекторного двигателя может грамотная эксплуатация устройства и профессионализм изготовителя в процессе сборки изделия.

Электродвигатель постоянного тока

Двигатель постоянного тока – это агрегат, преобразующий энергию постоянного тока в механическое движение, чаще всего во вращательное.

Разновидности и виды двигателей постоянного тока (ДПТ)

В настоящее время известны следующие виды машин постоянного тока:

• Униполярные (обладают низким КПД и потому не используются в обиходе);
• Коллекторные (основная категория ДПТ);
• Бесколлекторные (по сути, представляют собой модификацию коллекторных двигателей, где коллектор заменён на специальный электронный узел с инверторами).

Коллекторные ДПТ подразделяются на:

• Универсальные (подходящие и для постоянного, и для переменного тока);
• Одно-, двух-, трёх-, черытёх-, восьмиколлекторные (отличаются конфигурацией внутренних узлов и количеством фаз тока);
• С постоянными магнитами;
• С электрическими магнитами.

В свою очередь электромагниты могут работать по следующим схемам:

• С независимым возбуждением;
• С последовательным,
• Параллельным,
• Смешанным включением обмоток.

Основные узлы ДПТ

В основе всех электродвигателей, работающих на постоянном токе, лежит конструкция из статора и ротора:

1. Статор (индуктор) представляет собой неподвижную конструкцию, на которой размещены постоянные магниты или электрические катушки, создающие электромагнитное поле. Минимальное количество полюсов – 2.

2. Ротор (он же якорь) – это вращающаяся конструкция. Обычно состоит из набора катушек, размещённых особым образом на центральной оси. На роторе должно быть не менее 2 магнитных полюсов.

3. Коллектор – это смежный узел, отвечающий за активацию питания той или иной катушки ротора. Чаще всего используется щёточная конструкция, где два контакта прижимаются к токопроводящим секторам (ламелям) на якоре.

Все основные элементы можно увидеть на схеме ниже.

Рис. 1. Двигатель постоянного тока

Для простоты понимания процесса работу ДПТ лучше всего рассмотреть на примере двухполюсного ротора.

Рис. 2. Двухполюсный ротор

При подаче положительного напряжения на обмотку (ротор), расположенную в поле действия магнита (статор), развёрнутого внутрь полюсом N, катушка порождает электромагнитное поле той же полярности. Катушка отталкивается от магнита и начинает своё движение. Когда катушка выходит из поля действия магнита, её контакт размыкается, и подача тока прекращается. В поле действия магнита входит другая катушка, в этот момент щётка коллекторного узла попадает на ламель новой катушки и теперь напряжение подаётся на неё. Процесс повторяется. Аналогично происходит с полюсом S.

Постоянные магниты можно заменить электрическими катушками, количество катушек на якоре и на роторе – увеличить. Коллектор можно заменить на электронный блок управления, который будет управлять подачей тока на определённые катушки, при этом текущий угол поворота вала будет анализироваться специальным датчиком.

Схема подключения зависит от количества используемых фаз (для многоколлекторных), а также от способа возбуждения (актуально для статоров с электромагнитами).

Рассмотрим подключение для ДПТ с электроиндукторами (статорами на электромагнитах):

1. Независимое подключение

Рис. 3. Независимое подключение

Независимые источники напряжения применяются для того, чтобы исключить возможные скачки в цепи питания при вращении ротора (потребление происходит волнообразно). Идеальна такая схема для точной регулировки оборотов.

2. Параллельное включение

Рис. 4. Параллельное включение

Отличается от независимого лишь тем, что обмотки статора и якоря (ротора) подключаются к одному и тому же источнику напряжения.

Наиболее распространённая схема соединения.

3. Последовательное включение

Рис. 5. Последовательное включение

Такой подход применяется в тех случаях, когда необходим плавный (мягкий) запуск электродвигателя. При последовательном включении ток, протекающий через катушки статора и ротора, будет одинаковым, и без нагрузки такая ситуация может вылиться в превышение номинальной частоты вращения. Нужно проявлять осторожность.

Рис. 6. Смешанное включение

Применяется крайне редко. Здесь одна или несколько обмоток статора подключаются параллельно, а остальные – последовательно.

Регулировка частоты вращения

Для изменения скорости вращения двигателей постоянного тока достаточно использовать регулировочные резисторы на правильных участках цепей.

Как и где установить сопротивления смотрите ниже.

Рис. 7. Регулировка частоты вращения

Чтобы заставить крутиться вал электродвигателя постоянного тока в обратном направлении, достаточно просто сменить полярность питания.

Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Ремонт коллекторного двигателя

Большая часть бытовых электродвигателей – коллекторного типа. Они занимают небольшой объем и скорость вращения можно регулировать без потери мощности. Сфера их использования – электроинструмент, пылесосы, миксеры и так далее.

Отличительная особенность коллекторных электродвигателей – наличие ротора с коллектором, напряжение на который подается через щеточный аппарат через последовательно соединенную обмотку статора.

1. Повреждения шнура питания коллекторного двигателя
2. Неисправности регуляторов скорости вращения
3. Неисправности щеточного аппарата
4. Неисправности коллектора
5. Неисправности якоря и подшипников

Повреждения шнура питания коллекторного двигателя

Слабое место у электроинструмента – шнур питания. В процессе эксплуатации его часто сматывают и разматывают. При этом он чаще всего перегибается в одном и том же месте – у входа в корпус. Несмотря на то, что шнур в этом месте защищен резиновой вставкой, со временем гибкие провода в нем переламываются.

Иногда неисправность заявляет о себе заранее: инструмент периодически останавливается и вновь запускается в работу. Лучше не ждать полного обрыва провода, а сразу разобрать инструмент, подтянуть в него часть шнура так, чтобы вырезать место обрыва и подключит его снова.

Если инструмент перестал работать – первым делом проверяйте шнур на целостность мультиметром. Если он не прозванивается, то место повреждения, скорее всего, у корпуса.

Как пользоваться мультиметром читайте статью: «Как пользоваться мультиметром?».

Проверка шнура питания

Неисправности регуляторов скорости вращения

В электродрелях и шуруповертах скорость вращения регулируется устройством, представляющим единый узел с кнопкой управления. В нее иногда встраивается устройство реверса. Поэтому все неисправности, связанные с резкими изменениями скорости при регулировке и проблемами с реверсом, решаются заменой этого узла. Но основная его неисправность – отсутствие контакта, в результате которой инструмент не вращается. Проверить исправность кнопки включения можно мультиметром в режиме измерения напряжения. Для аккумуляторного инструмента измеряется постоянное напряжение после кнопки, с питанием от сети – переменное.

Регулятор скорости вращения

Поскольку для проверки инструмент придется разобрать, заранее предотвратите случайное включение инструмента. Исправность его может восстановиться, и вы получите травму. Для исключения такого варианта снимите с выключателя выходные клеммы с проводами (те, на которых предполагается провести измерения).

Пример схемы регулятора скорости вращения

Для миксеров и им подобной техники, имеющей механическое переключение ответвлений обмоток статора, лучше воспользоваться мультиметром в режиме измерения сопротивлений. Проверьте исправность переключателя и целостность коммутируемых им обмоток.

Неисправности щеточного аппарата

Щетки – слабое место коллекторного электродвигателя. В процессе работы они стираются, а графитовая пыль оседает на коллекторе и окружающих предметах. Пружины, которыми осуществляется прижим, либо объединены в один узел со щеткой и ее контактным поводком, либо входят в состав держателя. По мере стирания щеток пружины растягиваются и прижимают их слабее, контакт ухудшается. Этому еще способствует угольная пыль, попадающая в направляющие пазы. Возникают ситуации, когда пыль блокирует щетку, а силы пружины не достаточно, чтобы протолкнуть ее через это препятствие. Щетка «подвисает», и двигатель останавливается. При небольшом сотрясении контакт возобновляется, и двигатель работает снова.

Стертые щетки нужно заменить на новые. Желательно купить те, которые предназначены для данного устройства, но такое не всегда возможно. Поэтому приобретаются щетки большего размера и подгоняются под нужный. Для этого используется мелкая наждачная бумага, расстеленная на ровной поверхности. Щетка плотно прижимается к ней и стирается до нужного размера, желательно — поточнее.

Старые и новые щетки

После замены щетки притирают к коллектору, подкладывая под них наждачную бумагу и прокручивая туда-сюда коллектор вместе с ней. В результате рабочая поверхность щетки должна полностью повторять форму коллектора. Но для большинства бытовых приборов и электроинструмента такая операция не потребуется, притирка произойдет сама на начальном этапе эксплуатации.

Неисправности коллектора

При интенсивной эксплуатации щетки под собой вырабатывают на коллекторе кольцевую впадину. Она негативно влияет на их работу. У мощных двигателей приходится снимать якорь, устанавливать его в токарный станок и протачивать коллектор, выравнивая его. Но для бытовых электроприборов такая операция экономически не оправдана – проще купить новую технику. К тому же износ коллектора скажется через несколько лет, когда электроприбор морально устареет, и новое устройство будет более функциональным.

Коллектор со стертыми ламелями

В бытовых условиях коллектор можно только почистить. Для этого используется очень мелкая наждачная бумага. Она оборачивается вокруг коллектора, плотно прижимается рукой. Чистка производится проворачиванием коллектора в разные стороны, с периодической сменой положения.

Неисправности якоря и подшипников

Витковое замыкание или нарушение изоляции обмотки якоря приводит к искрению щеток. При серьезных повреждениях возникает эффект «кругового огня», когда искры «замыкаются», переходя с одной щетки на другую.

Искрение будет и при выходе из строя подшипников, поэтому сначала проверяются они. Если подшипники целы, то измеряют сопротивление изоляции якоря мегаомметром на 500 В. Если изоляция в норме, измеряют сопротивление обмоток якоря.

Между двумя соседними ламелями исправного якоря сопротивление одинаковое. При витковом замыкании в одной обмотке на одной паре ламелей будет меньшее сопротивление. При обрыве обмотки сопротивление многократно вырастет, так как прибор покажет суммарное сопротивление всех остальных обмоток.

Ни мультиметром, ни тестером нельзя определить витковое замыкание в якоре. Сопротивление одной обмотки – единицы Ом, а отсутствие одного витка прибор не заметит. Для проверки якорей в мастерских по ремонту двигателей пользуются способом косвенных измерений. К обмоткам подключают небольшое напряжение от регулируемого источника через амперметр. Величина напряжения выставляется на первой обмотке такой, чтобы амперметр показывал целое число ампер, это облегчает проверку. Не изменяя выходного напряжения, переключают щупы от устройства на соседнюю пару ламелей, и далее – пока не пройдут по всем. Резкое увеличение показаний амперметра свидетельствует о витковом замыкании, а уменьшение – об обрыве.

Неисправный якорь перематывают. Но стоимость работ соизмерима со стоимостью нового электроприбора.

Неисправности коллекторно-щеточного аппарата двигателей переменного тока

Коллекторный двигатель переменного тока можно с уверенностью назвать распространенным в быту. Подавляющая часть ручного электроинструмента имеет электропривод с двигателем этого типа.

При этом, двигатели переменного тока остаются относительно сложными электрическими машинами, требующими определенных специальных знаний для диагностики своего состояния и ремонта.

Однако, ряд неисправностей данных двигателей вполне возможно устранить или хотя бы выявить в домашних условиях. Это важно тем более, что неисправности эти имеют отношение к самому «нежному» конструктивному элементу коллекторного привода – коллекторно-щеточному аппарату.

С уверенностью можно сказать, что отказ ручной дрели или «болгарки» в 90% случаев связан с неисправностью именно этого конструктивного элемента привода.

А наиболее распространенная неисправность коллекторно-щеточного аппарата – это элементарный износ токосъемных щеток. Собственно говоря, сами графитовые щетки можно считать расходным материалом, а многие производители ручного инструмента даже предоставляют покупателю своей продукции дополнительную пару щеток бесплатно в качестве ремкомплекта.

Износ щеток приводит к потере контакта в паре «коллектор-щетка» и к разрыву цепи двигателя. Если контакт утерян не полностью, то возможно возникновение усиленного искрения под щетками (небольшое искрение может считаться нормой).

Может возникнуть «подергивание», привод будет работать неравномерно. В самых тяжелых случаях привод вообще невозможно запустить – когда силовая цепь полностью разомкнута.

Тогда эту неисправность легко определить при помощи мультиметра или даже обыкновенного индикатора: включив переключатель и не включая штепсель в розетку, проверяем целостность цепи «первая часть обмотки возбуждения — обмотка якоря — вторая часть обмотки возбуждения».

Состояние щеток можно оценить и визуально, поскольку чрезмерный износ графита виден невооруженным глазом. Нередко возникают случаи, когда щетки просто «зависают», то есть, грубо говоря, «застревают» в своих направляющих, и пружина не может поджать их к коллектору для надежного контакта. Решение этой проблемы заключается в замене щеток, или их повторной установке с притиркой.

Причиной проблем со щетками может стать и их несоответствие по размерам и форме. Поэтому, приобретая щетки на замену, важно знать марку и модель техники, электропривод которой планируется ремонтировать. После замены щеток их необходимо «прикатать» работой на холостых оборотах в течение 10-15 минут.

Еще одна характерная неисправность коллекторно-щеточного аппарата электродвигателя – это загрязнения на поверхности пластин или чрезмерный износ этих пластин. «Симптомами» этого явления также может быть неравномерная работа привода, а в самых запущенных случаях – яркий круговой огонь на коллекторе, красноречиво говорящий о том, что двигатель свое, что называется отработал.

Ввиду того, что коллекторные приводы переменного тока обычно имеют небольшую мощность и стоимость; ремонт коллектора с заменой изношенных пластин редко бывает целесообразным – проще заменить двигатель.

Выявить износ пластин двигателя несложно: борозды от длительного прохождения щеток видны невооруженным глазом. Видны и истонченные пластины, между которыми, возможно, уже имеются пробои изоляции.

Загрязнение коллектора бывает связано с условиями эксплуатации привода, а также с приходом в негодность щеток. Для удаления загрязнений часто бывает достаточно протереть коллектор ветошью, смоченной в бензине. Сильные загрязнения можно предварительно удалить при помощи обычного школьного ластика.

Возможно и изменение формы самого коллектора, приобретение им овальной формы. Причиной этому может стать биение якоря из-за неисправных подшипниковых узлов и, как следствие, неравномерный износ щетками. К сожалению, подобную неисправность маломощных двигателей переменного тока тоже бывает нецелесообразно устранять, а якорь с деформированным коллектором обычно подлежит замене.

Такие случаи неисправностей, как нарушение целостности поводка щетки, обломленная пружина, не способная поджать щетку к коллектору, а также механические повреждения коллекторно-щеточного аппарата здесь не рассмотрены, поскольку для их диагностики достаточно лишь беглого осмотра.