План-конспект урока "Двигатели постоянного тока"
план-конспект урока

План - конспект урока теоретического обучения

Предмет:   Основы электротехники

Раздел:  Электрические машины

Тема урока: Машины постоянного тока

Цель урока: изучить различные виды машин постоянного тока, принцип их действия.

Задачи урока:

Образовательные:

-знать основные составляющие машин постоянного тока.

-понимать принцип работы машины постоянного тока

-знать основные разновидности машин постоянного тока, оценивать достоинства и недостатки

-понимать различия в конструкции разных видов двигателя.

Воспитательные:

Развивающие:  развитие логического и критического мышления, развитие умения обобщать и синтезировать знания, планировать свою деятельность.

Материально техническая база: мультимедийный проектор, видео материалы

Ход урока (1,5ч.):

1. Организационный этап ( 2 мин.)

Проверка по журналу явки учащихся.

Проверка внешнего вида учащихся.

2. Мотивация учебной деятельности (3 мин.)

Сообщение цели, задач урока .

3. Актуализация знаний (5 мин.)

Вопросы:

1. Что такое электрические машины?
2. Какая электрическая машина преобразует механическую энергию в электрическую?
3. Какого вида бывают машины переменного тока?
4. Какая электрическая машина называется реверсивной?

4. Объяснение нового материала. (60 мин)

1. Введение

Эра электродвигателей берёт своё начало с 30-х годов XIX века, когда Фарадей на опытах доказал способность вращения проводника, по которому проходит ток, вокруг постоянного магнита. На этом принципе Томасом Девенпортом был сконструирован и испытан первый электродвигатель постоянного тока. Изобретатель установил своё устройство на действующую модель поезда, доказав тем самым работоспособность электромотора.

Практическое применение ДПТ нашёл Б. С. Якоби, установив его на лодке для вращения лопастей. Источником тока учёному послужили 320 гальванических элементов. Несмотря на громоздкость оборудования, лодка могла плыть против течения, транспортируя 12 пассажиров на борту.

Лишь в конце XIX столетия синхронными электродвигателями начали оснащать промышленные машины. Этому способствовало осознание принципа преобразования электродвигателем постоянного тока механической энергии в электричество. То есть, используя электродвигатель в режиме генератора, удалось получать электроэнергию, производство которой оказалось существенно дешевле от затрат на выпуск гальванических элементов. С тех пор электродвигатели совершенствовались и стали завоёвывать прочные позиции во всех сферах нашей жизнедеятельности.

2. Устройство  коллекторного двигателя постоянного тока.

  Состоит из неподвижной части – статора, для создания магнитного потока и вращающейся части – ротора.

На схеме показан поперечный разрез магнитной цепи двухполюсной машины.

Статор состоит из станины 1 ферромагнитного материала, с главными полюсами 2 (N и S). На полюсах размещены обмотки возбуждения 3, которые питаются от источника постоянного тока. В обмотке возбуждения создается магнитное поле 8 (неподвижное).

 Якорь5 – подвижная часть (стальной цилиндр на валу 7). На поверхности якоря расположены пазы для укладки обмоток6, состоящими из витков, которые объединяются в секции. Секция своими концами присоединяется к коллекторным пластинам.

 На якоре располагается коллектор 9 – цилиндрическое тело из медных коллекторных пластин. Электрический контакт с вращающимся коллектором осуществляется с помощью неподвижных электрографитовых щеток 10, через которые происходит соединение обмоток якоря с внешней цепью.

Якорь набирают из листов электротехнической стали толщиной 0,3…0,5 мм для уменьшения потерь от вихревых токов при перемагничивании. На электрических схемах машины якорь изображают в виде окружности с двумя щетками, а обмотку возбуждения – как индуктивный элемент.

В процессе работы поверхность ламелей стирается щётками, чтобы в результате миканитовые прокладки не выступали (тогда будут щётки вибрировать и искрить), между ламелями фрезеруются пазы глубиной до 1.5 мм. Часть ламели, обозначенная цифрой 5 на рисунке 7-а называется «петушком» в неё укладываются и припаиваются провода обмотки якоря.

Щётки располагаются в щёткодержателях. Это неподвижный узел, часто оснащается пружинами, которые прижимают щётки к коллектору. Щётка соединяется с электрической цепью машины (и источником питания) с помощью плетённого медного тросика, он очень гибкий и не затрудняет перемещение щётки в обойме. Вы можете увидеть устройство этого узла на рисунке 9.

Щёткодержатель позволяет регулировать давление на щётку. Это важно для стабильной работы машины. Слишком сильный нажим приведет к тому, что щётки будут изнашиваться быстрее, а коллектор будет греться. А если щётки прижаты плохо — то они начинают искрить.

3. Принцип работы электродвигателя.

Рамка, вращающаяся в магнитном поле, под действием силы Ампера.

Смена направления вращения рамки.

Ещё со школьной скамьи мы помним, что на провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:

F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.

Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами.

Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота. Логично припустить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки обмоток проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этой цели и создан коллектор.

Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.

4. Преимущества коллекторного двигателя: 

• Быстрый запуск, нет затруднений в регулировании
• Легко регулируемая частота вращения;
• Хорошие пусковые характеристики;
• Компактные размеры.

Недостатки коллекторного двигателя:

• ограниченный ресурс коллектора и щёток;
• дополнительная трата времени на профилактическое обслуживание, связанное с поддержанием коллекторно-щёточных узлов;
• ввиду того, что мы пользуемся сетями с переменным напряжением, возникает необходимость выпрямления тока;
• дороговизна в изготовлении якорей.

5. Инверторный двигатель.

Инверторный ДПТ имеет те же преимущества, что и коллекторный. Отличие состоит лишь в том, что переключение производится электронным путем за счет передачи информации датчиком положения ротора. Поэтому мотор обретает дополнительное достоинство – отсутствие изнашиваемых элементов, что делает двигатель более экономичным.

Основное отличие – возможность регулировать скорость в больших пределах.

Пару десятилетий тому назад, с развитием полупроводниковых приборов, активно стали применять частотные преобразователи. Эти устройства позволяют изменять частоту и напряжение в широких пределах, это от 1 Гц до 500 Гц. То есть, инверторный двигатель получает питание не напрямую от сети, а со встроенного в него преобразователя. В зависимости от текущего режима работы он формирует напряжение требуемой частоты и/или уровня. То есть, инверторный двигатель — это, как минимум, два устройства в одном корпусе: частотный преобразователь и сам двигатель.

Инверторными могут быть два типа двигателей: асинхронные и коллекторные постоянного тока. Использование этой технологии позволяет получить широкий диапазон скоростей и возможность точного поддержания скорости.

 Также, инверторный блок может повышать/понижать напряжение, что позволяет получить требуемый крутящий момент. Всё это, безусловно, в определённых пределах, но общие характеристики инверторных электродвигателей становятся значительно лучше.

Основные моменты работы преобразователя

Инверторный преобразователь меняет напряжение в несколько этапов:

• Выпрямляет сетевое напряжение, получая постоянное (обычно стоит диодный полумост или мост).
• Из постоянного напряжения формирует двухполюсные импульсы (положительные и отрицательные). Это блок называют инвертором, что и дало название самому принципу, блоку и мотору со встроенным преобразованием.

 На этом этапе и формируется требуемая частота и напряжение питания, которое затем и подаётся на двигатель. У некоторых инверторов есть ещё одна ступень преобразования, на которой ступенчатые импульсы превращаются в синусоиду. Так как форма напряжения на работу мотора влияния почти не оказывает, этот блок в инверторных двигателях отсутствует.

В «умной» технике, работой которой управляет микропроцессор, он задает параметры напряжения, регулируя скорость вращения в зависимости от программы или от состояния техники. Сам принцип работы двигателя от наличия инвертора не зависит, но этот дополнительный блок дает возможность управлять работой электромотора в широких пределах.

Особенности применения

Частотный преобразователь включают, в основном, с асинхронными двигателями. Они недороги, надёжны, экономичны. Модели с короткозамкнутым ротором бесколлекторные, что делает их ещё более привлекательными. Имеют асинхронные двигатели два недостатка, которые как раз, инвертором и устраняются. Первый существенный недостаток – высокий пусковой ток. Он может быть в 3-7 раз больше номинального. Кроме того, резкий старт с подачей питания 220/380 В ведёт к перегрузке, а значит и к быстрому износу мотора. Установив частотный преобразователь, при пуске переводим переключатель на минимум и постепенно доводим обороты до нужного значения. Пусковой ток при этом минимальный, а разгон плавный. Ни пусковые токи, ни перегрузки не страшны

Платой за точное регулирование скорости является более сложное управление.

Второй отрицательный момент – регулировать скорость вращения ротора в асинхронных двигателях получается слабо, но это без инвертора. Инверторный асинхронный двигатель позволяет изменять скорость от десятков оборотов в минуту, до тысяч. И всё это плавно, без перегрузок.

Но инверторный двигатель значительно дороже «обычного» с точно такими же характеристиками. Дело в дополнительном оборудовании, причём совсем недешёвом, но использование этой технологии имеет свои плюсы.

Область применения:

В кондиционерах

Как работает обычный кондиционер? Компрессор в нём то включается, то выключается. Температура стала на градус выше заданной, компрессор включился, работает пока она не станет на один градус ниже заданного предела. Включается снова, когда температура снова окажется ниже предела. И каждое включение/включение – это стартовый ток, перегрузки.

Как работает кондиционер с инверторным мотором и обычным

Если в кондиционере стоит инверторный преобразователь, он просто задаёт скорость работы компрессора так, чтобы температура сохранялась. Это снижает расход электричества (нет пусковых многократно возросших токов), оборудование работает в щадящем режиме без перегрузок, что продлевает срок эксплуатации.

В стиральных машинах

Используют инверторные моторы и в стиральных машинах. В стиральных машинах «обычного» класса ставят коллекторные электродвигатели. Они могут разгоняться до высоких скоростей (до 10000 об/ми), имеют хороший крутящий момент на больших скоростях. Их минус – повышенный уровень шумов, так как, кроме ремённой передачи шумят еще и сами щётки. Как их не притирай, коллекторный узел всё равно шумит. И чем больше скорость вращения, тем выше уровень шумов. И он имеет высокую тональность, так что с ним достаточно сложно мириться.Недостатки инверторных моторов

Достоинства униполярных двигателей:

• Долговечность. Двигатель-инвертор устроен так, что в нем нет быстро изнашивающихся частей. Это подтверждает и гарантия – модели подобного типа служат до 12-15 лет в безаварийном режиме, в то же время, как обычные – не более 3-4 лет. 
• Минимальный уровень рабочего шума.
• Экономный расход ресурсов. В среднем агрегат потребляет меньше на 20 % электроэнергии и на 10 % меньше воды. При частой и объемной стирке в долгосрочной перспективе это явный плюс. 

• Точность настроек по количеству оборотов, что позволяет наилучшим образом подобрать режим для конкретных тканей. 
• Улучшенные технические характеристики – точная балансировка, ввиду размещения ротора и барабана на одной оси, высокий КПД за счет минимальных потерь крутящего момента силами трения, отсутствие нагрузки на мотор, что устраняет необходимость частого обслуживания.

Недостатки инверторных двигателей:

• Хоть и невысокая, но есть вероятность разрыва одежды при отжиме на высоких оборотах. Справедливости ради отмечу, что это возможно только при неправильной загрузке. 
• Дорогостоящее восстановление. В случае выхода из строя придется покупать и устанавливать дорогие запчасти.

6. Униполярный двигатель.

Униполярный электродвигатель — разновидность электрических машин постоянного тока. Содержит проводящий диск, постоянное магнитное поле, параллельное оси вращения диска, 1-й токосъёмник на оси диска и 2-й токосъёмник у края диска.

Первый униполярный двигатель, колесо Барлоу, создал Питер Барлоу, описав его в книге «Исследование магнитных притяжений», опубликованной в 1824 году.

Области применения

• Униполярные двигатели находят довольно широкое применение. Их используют:
• в транспортных средствах для транспортировки грузов;
• в системах, связанных с работой в морской воде;
• в приборостроении;
• в электрохимии;
• при электросварке;
• в ускорителях заряженных частиц.

5. Закрепление пройденного материала (10мин.)

Вопросы:

1. Из каких главных элементов состоит двигатель постоянного тока?
2. Какую функцию выполняют щетки при работе двигателя постоянного тока?
3. На каком принципе основана работа двигателя постоянного тока?
4. Что такое ламели? Какие функции выполняют ламели?
5. Какие двигатели называют униполярными?
6. Какие основные достоинства у инверторных двигателей постоянного тока?

6. Подведение итогов. (3 мин.)

Объявление оценок, рефлексия пройденного материала

7. Домашнее задание: повторение пройденного материала по конспекту. (2 мин.)