Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины т 2

Подождите немного. Документ загружается.

340

скорость при M > 0 регулируется вниз от основной, но при этом воз-

никают большие дополнительные потери в реостате. Нетрудно пока-

зать, что электрические потери в якорной цепи

т.е. с уменьшением частоты вращения потери линейно возрастают.

Методы управления. Описанные принципы регулирования час-

тоты вращения могут быть реализованы некоторыми конкретными

методами управления. Сведения об этом приведены в табл. 64.2. К

таблице можно сделать краткий комментарий.

Метод I. Управление в системе генератор—двигатель требует нали-

чия установки, включающей генератор постоянного тока и приводной

двигатель к нему. Само управление достаточно экономично, так как

осуществляется путем регулирования тока возбуждения генератора.

Общий КПД при трехступенчатом преобразовании энергии невысок.

Метод II. При реостатно-контакторном управлении осуществляет-

ся ступенчатое регулирование сопротивления в якорной цепи или це-

пи возбуждения. Процесс поддается автоматизации, но связан с опре-

деленными сложностями; как и во всяких контактных системах, тре-

буются профилактика и ремонты; мала надежность.

Методы III и IV наиболее современны, основаны на использова-

нии полупроводниковых преобразователей, для управления которы-

ми кроме обычных полупроводниковых систем в последнее время

применяются микропроцессоры и управляющие вычислительные ма-

шины. В методе III применяется управляемый полупроводниковый

выпрямитель. Среднее значение выпрямленного напряжения регули-

руется изменением угла задержки открытия тиристоров (транзисто-

ров), при этом соответствующая часть положительной полуволны си-

нусоиды «вырезается» из выпрямленного напряжения.

+()ΔΩP

/ Ω

Т а б л и ц а 64.2. Принципы регулирования и методы управления двигателя-

ми постоянного тока

П р и м е ч а н и е . I—IV — методы управления.

Принципы регулирования (1—3)

1. Изменение напряжения

якоря

2. Изменение потока 3. Введение дополнительного

сопротивления в цепь якоря

I. Система Г—Д — —

— II. Реостатно-контакторное управление

III. Управляемый полупроводниковый

преобразователь—двигатель (транзисторный,

тиристорный приводы)

—

IV. Импульсное управление

341

В системах импульсного управления (метод IV) c помощью им-

пульсного регулятора, состоящего из транзисторного или тиристор-

ного ключа ТК (рис. 64.47, а) и системы его управления, на двигатель

подаются однополярные импульсы напряжения постоянной амплиту-

ды, равной напряжению источника U (рис. 64.47, б ). Частота следова-

ния импульсов обычно составляет 200—400 Гц, вследствие чего пе-

риод Т следования импульсов примерно на два порядка меньше по-

стоянной времени цепи якоря (для увеличения которой часто после-

довательно с якорем включают дополнительную индуктивность). По-

этому за время импульса τ, равное длительности включения специ-

ального тиристорного ключа, ток якоря не успевает существенно воз-

расти, а за время паузы Т – τ — уменьшиться. Во время паузы (отклю-

чения якоря двигателя от сети) I

замыкается через обратный диод

ОД. Можно считать, что двигатель реагирует на среднее напряжение

ср

= Uτ ⁄ T.

Это напряжение можно регулировать путем изменения продолжи-

тельности импульсов.

ТК

ОД

–

ср

а) б)

Рис. 64.47. К импульсному регулированию двигателя постоянного тока

342

Глава шестьдесят пятая

СПЕЦИАЛЬНЫЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

65.1. Машины постоянноо тоа с постоянными манитами

Машинами постоянного тока с постоянными магнитами называ-

ют машины, в которых магнитное поле образуется постоянными маг-

нитами. От машин с электромагнитным возбуждением они отличают-

ся только устройством магнитной системы. Возможные исполнения

магнитных систем этих машин (без обмоток возбуждения) представ-

лены на рис. 65.1. Исполнения по рис. 65.1 а, б с радиальным распо-

ложением магнитов целесообразно применять в многополюсных ма-

шинах при 2р ≥ 4. Из-за малой длины магнитов вдоль линий поля в

этом исполнении заметно проявляется размагничивающее действие

МДС якоря. Для его ослабления необходимо изготовлять магниты из

материала с большой коэрцитивной силой (ферритбариевые магни-

ты) и снабжать магниты полюсными наконечниками из магнитно-

мягкого материала (рис. 65.1, а). Исполнение по рис. 65.1, в особенно

целесообразно при 2р = 2, когда тангенциально расположенные маг-

ниты имеют большую длину в направлении намагничивания. В этом

случае можно применить магнитные материалы со сравнительно не-

большой коэрцитивной силой, но с большой удельной энергией (аль-

ни, альнико, магнико). То же самое можно сказать об исполнении по

рис. 65.1, г, в котором магнитная система представляет собой намаг-

ниченное определенным образом кольцо из магнитно-твердого мате-

риала. Достоинство этого исполнения — конструктивная простота.

Недостаток — ухудшение коммутации из-за малого зазора по попе-

речной оси и увеличенного поля якоря. Для изготовления постоян-

ных магнитов используются те же материалы, что и в синхронных

машинах с постоянными магнитами (см. § 63.6).

Дополнительные полюсы, возбуждение которых должно быть

принципиально только электромагнитным, в машинах с постоянны-

ми магнитами не применяются.

Двигатели с постоянными магнитами мощностью от нескольких

до сотен ватт находят применение в маломощных приводах автомо-

билей и самолетов и в различных системах автоматики. Двигатели

используются чаще всего в кратковременных или повторно-кратко-

временных режимах; пускаются в ход и реверсируются без реостатов

в цепи якоря. Частота вращения двигателей регулируется изменением

343

напряжения якоря, применя-

ется также импульсное регу-

лирование частоты враще-

ния. Последнее производит-

ся реле, управляемым тахо-

генератором, которое перио-

дически замыкает накоротко

добавочный резистор в цепи

якоря. В более мощных двигателях используется комбинированное

возбуждение. В этом случае двигатель снабжается обмоткой возбуж-

дения, МДС которой достаточна для регулирования магнитного поля

в заданных пределах.

Генераторы постоянного тока с возбуждением от постоянных маг-

нитов получили относительно меньшее распространение, чем анало-

гичные синхронные. Они находят применение для стабилизации сис-

тем автоматического регулирования в качестве датчиков частоты вра-

щения (тахогенераторов) и т.п.

Для стабилизации напряжения генераторов, работающих при пе-

ременной нагрузке, используются комбинированные системы возбу-

ждения. Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения выбирается

достаточной для компенсации падения напряжения в цепи якоря и

влияния МДС якоря.

В двухъякорных электромашинных преобразователях для стаби-

лизации напряжения генератора с постоянными магнитами применя-

ется автоматическое регулирование частоты вращения двигателя.

При расчете и проектировании машин постоянного тока с посто-

янными магнитами приходится считаться со своеобразным проявле-

нием влияния МДС якоря, размагничивающее действие которой сла-

бее, чем в синхронных машинах с постоянными магнитами, но все же

достаточно существенно [52]. Благодаря отсутствию обмоток воз-

буждения и потерь в этих обмотках машины с постоянными магнита-

ми имеют по сравнению с машинами электромагнитного возбужде-

ния более высокий КПД, облегченные условия охлаждения, меньшие

габаритные размеры, массу и стоимость (при небольшой мощности);

a) б)

в) )

Рис. 65.1. Магнитные системы

машин постоянного тока с посто-

янными магнитами:

а — радиальные магниты с полюс-

ными наконечниками; б — то же

без полюсных наконечников; в

—

тангенциальные магниты; г

—

кольцевые магниты

344

более стабильное возбуждение (поток постоянных магнитов не зави-

сит ни от частоты вращения, ни от напряжения якоря, ни от темпера-

туры). Вместе с тем машины с постоянными магнитами обладают

следующими существенными недостатками: а) частоту вращения

двигателей и напряжение генераторов невозможно регулировать из-

менением поля возбуждения; б) при мощности, превышающей не-

сколько десятков ватт, они уступают по габаритным размерам, массе

и стоимости машинам электромагнитного возбуждения; в) материа-

лы, входящие в состав сплавов для постоянных магнитов, дефицит-

ны; г) технология изготовления и намагничивания постоянных маг-

нитов отличается большой сложностью.

65.2. Генераторы с продольным омбинированным

возбждением

Генератор этого типа предложен инженером Ц. Кремером. Он от-

личается от обычного генератора со смешанным возбуждением толь-

ко тем, что на его полюсах кроме параллельной и последовательной

обмоток располагается еще и независимая обмотка, прячем последо-

вательная обмотка включена встречно по отношению к двум другим

обмоткам (см. рис. 64.30).

Благодаря размагничивающему действию последовательной об-

мотки внешняя характеристика генератора получается круто падаю-

щей: в широком диапазоне изменения напряжения U ток якоря

I близок к току короткого замыкания (рис. 65.2). Такого рода внешни-

ми характеристиками должны обладать, например, генераторы для

дуговой электросварки, так как при этом ток в дуге мало зависит от ее

длины (т.е. расстояния электрода от свариваемого предмета) и даже

при коротком замыкании (соприкоснове-

нии электрода с предметом) возрастает не-

значительно. Круто падающую характери-

стику должны также иметь генераторы, пи-

тающие двигатели, которые во время рабо-

ты могут полностью остановиться, напри-

мер двигатель экскаватора. Это предотвра-

щает повреждение механизма при застре-

вании исполнительных органов, поскольку

даже при полной остановке двигателя (при

коротком замыкании) ток якоря и, следова-

тельно, вращающийся момент двигателя

будут ограничены. Та же цель достигается

при использовании этих генераторов на те-

пловозах для питания тяговых двигателей.

Рис. 65.2. Внешние харак-

теристики генератора с

продольным комбиниро-

ванным возбуждением

345

Внешняя характеристика генератора может в известных пределах из-

меняться (кривые 1—3 на рис. 65.2) за счет изменения сопротивлений

в цепях параллельной и независимой обмоток и шунтирования после-

довательной обмотки.

65.3. Генераторы с двойной полюсной системой

Генераторы с двойной полюсной системой, называемые иногда ге-

нераторами с «расщепленными полюсами», применяются для дуго-

вой электросварки. Магнитопроводы полюсов этого генератора вы-

полняются (рис. 65.3) разделенными на две части (полюс N образует-

ся из сердечников N

и N

; полюс S — из сердечников S

и S

). При

этом сердечники N

, S

имеют большую ширину, чем сердечники N

. Генератор имеет две обмотки возбуждения: обмотку 1, катушки

которой охватывают широкие полюсы N

и S

, и обмотку 2, катушки

которой охватывают узкие полюсы N

и S

. Обе обмотки возбуждения

присоединяются параллельно к одной из основных щеток В и к вспо-

могательной щетке b, установленной на коллекторе между основны-

ми щетками А и В. В цепь обмотки 1 вводится регулировочный рео-

стат R

. Направление вращения якоря выбирается таким образом,

чтобы составляющая МДС якоря F

усиливала поле полюсов N

и S

а составляющая МДС яко-

ря F

ослабляла поле по-

люсов N

и S

. В этом слу-

чае полный магнитный по-

ток одноименных полю-

сов Φ =Φ

+ Φ

с увеличе-

нием тока I

уменьшается,

так как ослабление потока

ненасыщенных полю-

сов N

и S

превышает не-

большое возрастание по-

тока Φ

полюсов N

и S

ограниченное насыщени-

ем. Однако напряжение

между щетками B и b, про-

порциональное почти по-

стоянному потоку Φ

, при

этом изменяется мало, что

сохраняет токи возбужде-

в1

в2

Рис. 65.3. Генератор с двойной полюсной систе-

мой для дуговой сварки

346

ния I

в1

и I

в2

практически неизменными и препятствует чрезмерному

развозбуждению генератора. Благодаря такому способу возбуждения

напряжение генератора с ростом тока резко снижается и даже при ко-

ротком замыкании ток не оказывается чрезмерно большим. Такого

рода «падающая» внешняя характеристика делает генератор пригод-

ным для дуговой электросварки. Регулирование наклона характери-

стики производится сопротивлением R

(с его увеличением напряже-

ние при холостом ходе и ток короткого замыкания уменьшаются). Для

улучшения коммутации генератор может быть оснащен дополнитель-

ными полюсами, расположенными в промежутках между полюсами

различной полярности.

В нашей стране генераторы этого типа выпускаются для дуговой

сварки в виде серии ПС с номинальным напряжением 35 В и током

до 500 А.

65.4. Генераторы с поперечным возбждением

Генератор с поперечным возбуждением, предложенный немецким

инженером Э. Розенбергом, в отличие от обычного имеет два ком-

плекта щеток, сдвинутых на 1/2 полюсного деления: продольные

щетки d—d, присоединенные к нагрузке, и поперечные q—q, замкну-

тые накоротко (рис. 65.4).

Ширина и высота полюсных наконечников берутся увеличенными

для того, чтобы усилить поперечный магнитный поток возбуждения

. В середине полюсных наконечников делаются вырезы для мест-

ного ослабления продольного поля в зоне коммутации тока I

(



Рис. 65.4. Генератор с поперечным возбуждением

347

В настоящее время генераторы с

поперечным возбуждением приме-

няются главным образом для элек-

троснабжения пассажирских ваго-

нов железнодорожных поездов. Па-

раллельно с генератором включают

аккумуляторную батарею. Обмотка

возбуждения генератора присоеди-

няется к батарее. На остановках и

при медленном перемещении поезда

напряжение генератора меньше на-

пряжения батареи (U

< U

), генера-

тор специальным реле отключается

от батареи и нагрузка R

питается

током I

от батареи. В этом режиме

ток возбуждения I

= const образует продольный поток Φ

= Λ

. В

короткозамкнутой цепи щеток q—q индуктируется ЭДС E

= c

ΩΦ

появляются поперечный ток, МДС и поток, пропорциональные F

угловой скорости:

= E

/ R

; F

= k

; Φ

= Λ

ΩF

/ R

На щетках d—d, цепь которых разомкнута, индуктируется ЭДС

= c

ΩΦ

= k

/ R

где k

= .

С увеличением угловой скорости ток I

и напряжение U

= E

воз-

растают, как показано на рис. 65.5. При скорости Ω

, когда U

= U

генератор включается параллельно батарее.

При еще большем увеличении частоты вращения ЭДС E

превос-

ходит напряжение на батарее U

и в цепи щеток d—d появляется ток

= (E

– U

)/R

. За изменением этого тока проще всего проследить,

приняв внутреннее сопротивление батареи R

= 0 и U

= E

= const.

При этом нужно учитывать размагничивающее действие тока I

МДС которого F

= k

(рис. 65.5) независимо от направления враще-

ния всегда направлена встречно по отношению к МДС F

. Это приво-

дит к уменьшению продольного потока Φ

= Λ

– F

) и сдерживает

увеличение поперечной и продольной ЭДС при возрастании угловой

скорости:

= c

Ω(F

– k

); E

= k

– k

)/R

I,U

d

=U



Рис. 65.5. Характеристики генера-

тора поперечного поля при парал-

лельной работе с аккумуляторной

батареей

348

Вводя ЭДС E

в уравнение для тока I

, не трудно получить зависи-

мость этого тока от угловой скорости

= (E

d в

– U

)/(R

+ k

/ R

где E

dв

= k

— продольная ЭДС от тока возбуждение I

, и убе-

диться в том, что ток I

стремится к определенному пределу

Легко проверить, что МДС, образуемая предельным током F

d×

= I

d×

= F

, полностью компенсирует МДС возбуждения. Для обес-

печения зарядки аккумуляторной батареи ток I

d×

должен несколько

превышать зарядный ток I

и ток нагрузки I

. При угловой скорости

когда E

dв

= U

, ток I

= 0. При угловой скорости Ω

ток I

= I

. В ин-

тервале скоростей Ω

< Ω < Ω

, когда I

< I

, нагрузку питают совме-

стно генератор и батарея, причем от батареи потребляется ток I

= I

– I

. При угловых скоростях Ω > Ω

генератор полностью прини-

мает на себя питание нагрузки и производит зарядку батареи током

= I

– I

Характеристики на рис. 65.5 построены с учетом влияния внутрен-

него сопротивления батареи R

, проявляющегося в некотором увели-

чении напряжения на щетках d—d и на батарее U

= U

= E

+ I

тока нагрузки I

= U

с ростом угловой скорости, что приводит к

необходимости небольшого увеличения скорости Ω

, найденной при

= 0.

Полярность щеток d—d генератора не зависит от направления вра-

щения якоря. Это свойство генератора особенно ценно при его ис-

пользовании для электроснабжения вагонов, которые могут переме-

щаться в двух возможных направлениях. Однако в настоящее время

генераторы этого типа начинают вытесняться более надежными бес-

контактными генераторами постоянного тока с полупроводниковыми

выпрямителями.

d×

Ω ×→()

/ k

/ F

()=

349

65.5. Элетромашинные силители

Генераторы постоянного тока (наряду с усилителями других ти-

пов: электронными, полупроводниковыми, магнитными) могут быть

применены в системах автоматики для усиления мощности, получае-

мой от различных измерительных элементов (датчиков).

Генератор с независимым возбуждением как усилитель. На

вход (обмотку возбуждения) такого усилителя, приводимого во вра-

щение приводным электродвигателем с постоянной скоростью

Ω=const, поступает входная мощность (или мощность управления)

вх

= I

вх

; с его выхода (обмотки якоря) снимается выходная мощ-

ность P

вых

= I

вых

, превосходящая входную в k

= 50—100 раз, где

= P

вых

вх

— коэффициент усиления. Усиление мощности происхо-

дит за счет мощности (P

вых

– P

вх

)/η

, получаемой от приводного дви-

гателя (здесь η

— КПД усилителя).

Если магнитная цепь электромашинного усилителя (ЭМУ) не на-

сыщена и остаточное напряжение мало, то k

= const и в установив-

шемся режиме P

вых

~ P

вх

. Запаздывание изменения P

вых

при измене-

нии U

вх

зависит от постоянных времени обмоток ЭМУ. Оно может

быть найдено путем введения некоторой эквивалентной постоянной

времени T

, характеризующей быстродействие ЭМУ в целом. Для

ослабления замедляющего действия вихревых токов, индуктируе-

мых при переходных процессах, магнитопровод ЭМУ собирается из

изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,35—

0,5 мм.

Двухъякорный ЭМУ. Существенно большее усиление мощности

может быть получено в двухступенчатом двухъякорном ЭМУ, пред-

ставляющем собой каскадное включение двух генераторов постоян-

ного тока. В этом ЭМУ управляющий сигнал с входной мощностью

вх

подается на обмотку возбуждения первого генератора; якорь этого

генератора питает обмотку возбуждения второго генератора; выход-

ная мощность P

вых

с якоря второго генератора передается управляе-

мому объекту. Такие двухмашинные ЭМУ выпускаются в ФРГ под

названием «рапидин». В целях уменьшения массы и габаритных раз-

меров якоря обоих генераторов размещены на одном валу, а их маг-

нитные системы укреплены в общем корпусе. Коэффициент усиления

рапидина равен произведению коэффициентов усиления его ступе-

ней k

= k

у1

у2

(он достигает примерно 10 000).

Одноякорный ЭМУ с поперечным возбуждением. Такие же, как

в двухъякорном ЭМУ, коэффициенты усиления удается получить в

одноякорном ЭМУ с поперечным возбуждением. Этот ЭМУ пред-