Как двигатели постоянного тока работают по отношению к току и как влияет ток через них?

В конце концов, вы должны осознать, что электрическая машина — это, по сути, преобразователь электрической энергии в механическую, который использует магнитные поля в качестве связующего звена. Магнитное поле/поток создается либо магнитами, либо электромагнитами.

Моторы вообще всегда были сложной темой, которую я не могу полностью уложить в голове. Учитывая двигатели постоянного тока, что определяет скорость вращения двигателя?

Скорость вращения ротора электрических машин принципиально одинакова для всех типов электрических машин (асинхронные, синхронные, SR, BLDC, BLAC, щеточные, гистерезисные ...).

Скорость изменения потока.

То, как создается эта скорость изменения, очень специфично для каждой машины. Но в основном, создавая магнитный поток на статоре и роторе, ротор будет пытаться выровняться, как это делают магниты. Этот электромагнитный крутящий момент проявляется как механический крутящий момент (из-за того, что он перпендикулярен свободно вращающейся оси).

Крутящий момент, действующий на некоторую инерцию, приводит к ускорению, которое должно привести ротор к бесконечной скорости.

Это невозможно из-за закона Ленца. Теперь у вас есть вращающееся магнитное поле, проходящее через катушки, это индуцирует напряжение, которое противодействует источнику напряжения, который вы используете для подачи тока в электрическую машину для создания магнитного поля для создания EM_Torque.

Чем быстрее вы едете, тем выше это напряжение, тем больше оно противодействует используемому вами источнику напряжения. В какой-то момент вы больше не можете нагнетать ток в обмотки для создания магнитного поля => больше нет EM_Torque --> больше нет крутящего момента ротора --> больше нет ускорения.

Теперь вы достигли максимальной скорости без нагрузки.

Как уже упоминалось, разные механизмы создают изменяющийся поток с помощью разных механизмов.

• Щеточная машина (статор постоянного тока, ротор постоянного тока)

Статор с ПМ и ротор с обмоткой, щетки используются для передачи электроэнергии на ротор для создания постоянного тока и, следовательно, однонаправленного магнитного поля на роторе. Примените источник напряжения, и ротор повернется, чтобы выровняться. Это вызывает «коммутацию» через щетки, и магнитное поле ротора изменяется, отталкивая его от текущего полюса статора и притягивая его к следующему.

Большее напряжение ==> больше EM_Torque ==> Более быстрая коммутация

• Синхронная машина (статор переменного тока, ротор постоянного тока)

Обмотанный ротор, Обмотанный статор. Мощность обычно передается на статор через главный возбудитель (в основном вращающийся трансформатор), и он создает постоянный ток в роторе, который не меняет направление. Затем статор возбуждается источником переменного напряжения. Ротор «зафиксируется» на этом изменяющемся поле статора и, по сути, будет таскаться за ним. Для увеличения скорости Синхронной машины изменяется частота источника напряжения на статоре: Выше == Быстрее.

• BLAC, BLDC (статор переменного тока, ротор постоянного тока)

Это в основном просто синхронные машины, но у них есть постоянные магниты на роторе. Чем выше частота статора, тем выше скорость ротора. AC и DC просто исходят из типа используемого управления током.

• Коммутируемое реактивное сопротивление (статор переменного тока ... ротор)

Красивые машины, выступающий ротор БЕЗ ОБМОТОК, БЕЗ ПОЛЕВОЙ ГЕНЕРАЦИИ. Статор с обмоткой. Статор возбуждается, создавая поток. Несоосный ротор будет испытывать противодействие крутящему моменту и попытается выровняться, чтобы свести к минимуму сопротивление в существующем магнитном cct ==> механический крутящий момент ==> ускорение. Как только происходит выравнивание, вы перестаете запускать статор и даете ротору «выбег» в течение короткого периода времени перед повторным запуском.

• Индукционная машина. (Статор переменного тока, ротор переменного тока)

Статор с обмоткой, ротор с обмоткой. Однако, в отличие от синхронной машины, обмотки ротора обычно закорочены (создавая конструкцию, подобную беличьей клетке). Приложение переменного напряжения к статору создает переменное магнитное поле. Это индуцирует напряжение на роторе и, поскольку он закорочен, создает ток, который, в свою очередь, создает магнитное поле, которое тащит вращающееся поле статора.

Я иногда думаю об идеальном моторе. Идеален тем, что не имеет сопротивления, трения. Он действует как генератор с выходным напряжением Kf, где K — константа, зависящая от конструкции двигателя, а f — частота. Это не так уж плохо для двигателя с постоянными магнитами. Вы подаете напряжение, и он потребляет ток и раскручивается. Он достигает постоянной скорости и больше не потребляет энергию, поэтому ток теперь равен 0. Скорость будет определяться как V = Kf, поэтому генерируемое напряжение просто противодействует приложенному напряжению, поэтому ток равен 0.

Вы также можете использовать это, чтобы подумать о небольших отклонениях от идеала и о том, что они сделают.

Не очень строго, но дает некоторое представление.

Кажется, вы упускаете из виду, что мотор — это тоже механическая машина. Второй закон Ньютона очень актуален, говоря, что сила$F$это произведение массы$m$и ускорение$a$:

Здесь сила представляет собой крутящий момент, создаваемый двигателем. Если этот крутящий момент равен крутящему моменту, обеспечиваемому нагрузкой (например, за счет трения), то не будет результирующей силы, а значит, и ускорения, и двигатель будет вращаться с постоянной скоростью, какой бы она ни была. Если крутящий момент двигателя больше или меньше, механическая нагрузка ускоряется или замедляется.

Крутящий момент двигателя, в первом приближении, пропорционален току через двигатель. Больший ток приводит к более сильному магнитному полю и, следовательно, к большему крутящему моменту. Двигатель может вращаться быстрее, если в этом направлении есть чистый крутящий момент, в соответствии с приведенным выше законом Ньютона.

Когда двигатель вращается, ротор также движется через поле статора. По сути, это генератор, одновременно являющийся двигателем. Обратная ЭДС в первом приближении пропорциональна скорости двигателя. Противо-ЭДС появляется последовательно с индуктивностью и сопротивлением обмоток двигателя, и в наиболее интуитивной ситуации, когда механическая нагрузка не заставляет двигатель вращаться в обратном направлении относительно напряжения, приложенного к клеммам двигателя, противо-ЭДС противодействует приложенному напряжению ( закон Ленца ).

Итак, если вы подключаете двигатель к батарее 12 В, и он вращается достаточно быстро, чтобы противо-ЭДС составляла 10 В, то это похоже на то, что вы подаете на двигатель 2 В. Это объясняет уравнение:

$V-\mathcal{E}$на самом деле это просто чистое напряжение, приложенное к двигателю, так что это всего лишь закон Ома:$I=V/R$. Мы можем это сделать, потому что настоящие двигатели имеют значительное сопротивление обмотки постоянного тока.

Вот отличное умственное упражнение: что произойдет, если у вас будет двигатель с нулевым сопротивлением обмотки и идеальным источником напряжения для его питания?

То есть, когда сопротивление обмотки приближается к 0, ток, потребляемый двигателем, приближается к бесконечности. Поскольку сила пропорциональна току, сила также стремится к бесконечности. Таким образом, двигатель без сопротивления имеет идеальное регулирование скорости: любая попытка отклониться от скорости, установленной приложенным напряжением, приводит к бесконечному току, что приводит к бесконечной силе для исправления несоответствия скорости. Ток через источник напряжения будет пропорционален силе, необходимой для поддержания этой скорости.

Реальные двигатели, имеющие некоторое сопротивление, только приближаются к такому поведению. Если вы подключены к источнику напряжения (автомобильный аккумулятор), то, если вы попытаетесь замедлить двигатель (затормозить его рукой), обратная ЭДС уменьшится, что приведет к большему чистому напряжению на обмотках, что увеличивает ток, что увеличивает силу, которая заставляет двигатель стараться не замедляться вашей рукой. Степень, в которой двигатель хорош для этого, обратно пропорциональна источнику напряжения и последовательному сопротивлению двигателя.