Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины т 2

Подождите немного. Документ загружается.

350

ставляет собой генератор с попереч-

ным возбуждением в неявнополюс-

ном исполнении, якорь которого при-

водится во вращение электродвигате-

лем со скоростью Ω = const (см. § 65.3).

Схема ЭМУ с поперечным возбужде-

нием показана на рис. 65.6. Продоль-

ный поток управления Φ

образуется

током I

в обмотке управления ОУ.

Этот поток индуктирует в коротко-

замкнутой цепи поперечных щеток

q—q ЭДС E

= c

ΩΦ

, под действием

которой возникает ток I

. Протекая по

обмотке якоря и по поперечной под-

магничивающей обмотке ПО, этот

ток образует МДС F

+ F

qп

и создает

поперечный поток Φ

= Λ

+ F

qп

) = k

. Поток Φ

индуктирует ЭДС

= c

ΩΦ

в выходной цепи щеток d—d. Если эта цепь замкнута на

нагрузку, в ней появляется ток I

вых

= I

= E

/(R

+ R

) и на выходных

выводах устанавливается напряжение U

= E

– R

= U

вых

. Коэффи-

циент усиления ЭМУ k

= U

вых

/(U

), где U

= I

Продольная МДС F

, образованная током I

, компенсируется МДС

компенсационной обмотки КО (см. § 64.10). Благодаря компенсаци-

онной обмотке продольное поле в ЭМУ создается только током управ-

ления I

и ток I

не оказывает на это поле размагничивающего дейст-

вия, как в генераторе с поперечным полем (см. § 65.3). Точная настрой-

ка компенсационной обмотки, при которой F

= F

, производится ре-

зистором R

. Это может быть осуществлено, если компенсационная

обмотка рассчитана на некоторую перекомпенсацию, т.е. F

> F

при

= ×. Подмагничивающая обмотка ПО уменьшает ток I

, требуе-

мый для создания необходимого потока Φ

, улучшая тем самым усло-

вия коммутации щеток q—q (см. § 64.10). Дополнительные полюсы ус-

танавливаются только в зоне секций, коммутируемых щетками d—d.

Обмотка дополнительных полюсов (на рисунке не показана) включа-

ется последовательно с компенсационной обмоткой КО. Для уменьше-

ния остаточного напряжения и влияния гистерезиса в ЭМУ иногда

применяют размагничивающую обмотку, намотанную вокруг ярма

статора и питаемую переменным током. Эта обмотка образует пере-

менный поток, замыкающийся по ярму статора.



qп

КО

ПО

ОУ

Рис. 65.6. ЭМУ с поперечным

возбуждением

351

Электромашинные усилители с поперечным возбуждением мощ-

ностью до 20 кВт выпускаются в нашей стране серийно. Их коэффи-

циент усиления может достигать 10 000. В отдельных случаях изго-

товлялись ЭМУ мощностью до 100 кВт.

65.6. Двиатели с беспазовым и с печатным яорем

В двигателях с беспазовым якорем обмотка располагается не в па-

зах зубчатого магнитопровода, как в обычных машинах постоянного

тока, а укрепляется на гладкой цилиндрической ферромагнитной по-

верхности (рис. 65.7, а). Такую конструкцию удалось реализовать по-

сле появления изоляционных материалов, с помощью которых обмот-

ка может быть надежно прикреплена к гладкому магнитопроводу

(стеклолента, эпоксидные и другие смолы). Отсутствие пазов позволя-

ет почти в 2 раза увеличить индукцию в зазоре. Благодаря вынесению

обмотки в зазор в несколько раз снижаются ее индуктивность и индук-

тивность коммутируемой секции, что дает возможность получить при-

емлемую по условиям коммутации реактивную ЭДС (см. § 64.10) при

существенно повышенной линейной нагрузке якоря. Поэтому диаметр

якоря в такой машине может быть значительно уменьшен и получены

не только малая индуктивность и электромагнитная постоянная вре-

мени якоря, но и пониженные момент инерции и электромеханическая

постоянная времени якоря. Эти

свойства двигателя с беспазо-

вым якорем оказываются весь-

ма ценными при использовании

его в качестве быстродействую-

щего исполнительного двигате-

ля в системах автоматического

управления.

Вместе с тем вынесение об-

мотки на наружную поверх-

ность магнитопровода увеличи-

вает в несколько раз немагнит-

ный зазор. Для создания в этом

немагнитном промежутке уве-

личенной в 2 раза индукции

требуется значительно боль-

шая, чем обычно, МДС обмотки

возбуждения. Обмотка возбуж-

дения занимает так много мес-

та, что машина с гладким яко-

рем имеет большую массу, чем

б)

Рис. 65.7. Двигатели с беспазовым (а) и

с печатным (б) якорем:

1 — проводники обмотки якоря; 2 —

гладкий магнитопровод якоря; 3 — изо-

ляционный материал; 4 — полюс

352

обычная машина с зубчатым якорем. Исполнительные двигатели

этого типа изготовляются мощностью до нескольких киловатт.

Большим быстродействием обладают также исполнительные дви-

гатели с печатным якорем (рис. 65.7, б ). В этих двигателях магнито-

провод якоря 2 делается неподвижным; ротор представляет собой по-

лый изоляционный цилиндр 3, на наружной и внутренней поверхно-

стях которого приклеены проводники обмотки якоря 1. Название дви-

гателей связано с тем, что лентообразные проводники обмотки в при-

нятой технологии создаются фотохимическим способом, используе-

мым в полиграфической промышленности для изготовления печат-

ных клише. Кроме цилиндрического исполнения (рис. 65.7, б) встре-

чается также торцевое исполнение этих двигателей, в котором ротор

представляет собой изоляционный диск с приклеенными к нему про-

водниками.

В двигателях цилиндрического исполнения коллектор имеет обыч-

ную конструкцию; в двигателях торцевого исполнения коллектором

служит специально выделенная для этой цели зона активной части

проводников якоря. Благодаря улучшенным условиям охлаждения

плотность тока в проводниках якоря может достигать 30—40 А/мм

Электромагнитные свойства двигателя аналогичны свойствам двига-

теля с беспазовым якорем. Двигатели могут иметь мощность от еди-

ниц до сотен ватт. Область их применения — системы автоматическо-

го управления, в которых требуется особенно высокое быстродейст-

вие. Поскольку в рассматриваемых машинах проводники якоря распо-

лагаются в немагнитном промежутке, где амплитуда индукции дости-

гает 2 Тл, в них индуктируются вихревые токи, в сотни раз большие,

чем при размещении проводников в пазах, где амплитуда индукции не

превосходит 0,02—0,05 Тл. Для снижения добавочных потерь в про-

водниках должны приниматься специальные меры (например, умень-

шение тангенциальных размеров элементарных проводников).

65.7. Униполярные машины

Униполярные или одноименнополюсные машины отличаются от

всех прочих машин постоянного тока тем, что в их якоре сразу гене-

рируется ЭДС постоянного направления. Поэтому в них отсутствует

преобразователь частоты, который имеется в том или ином виде во

всех обычных разноименнополюсных машинах постоянного тока.

Одно из возможных исполнений униполярного генератора постоян-

ного тока показано схематически на рис. 65.8. Якорь (ротор) 1 генера-

тора представляет собой массивное стальное тело, вращающееся в

поле возбуждения Φ

. Это поле создается неподвижными катушками

3 кольцевой обмотки возбуждения и замыкается, дважды пересекая

353

зазор, по кольцевому магнитопроводу 2 и ферромагнитному телу ро-

тора 1. Поле получается симметричным, и в активной зоне (между

щетками 4) образуется кольцевой полюс определенной полярности (в

данном случае N). Поэтому во всех осевых элементах ротора, разме-

щающихся между неподвижными щетками, индуктируется одна и та

же постоянная ЭДС E = Bl

v, где В — индукция в зазоре, l

— расчет-

ная длина активной зоны, v — окружная линейная скорость на наруж-

ной поверхности ротора. Если к щеткам будет присоединено сопро-

тивление нагрузки R

, под воздействием ЭДС E возникнет ток I

, ко-

торый поровну распределится между параллельно включенными осе-

выми элементами проводящего тела ротора (предполагается, что

щетки равномерно размещены вокруг контактных колец). Как и в

обычных машинах постоянного тока, МДС якоря оказывает размаг-

ничивающее действие на поле возбуждения, однако в униполярной

машине, если не принять специальных мер, это влияние оказывается

более заметным. Это связано с тем, что поле якоря, линии которого

имеют форму окружностей, замыкается в пределах тел ротора или

статора, обладающих малым магнитным сопротивлением. Поэтому

под действием МДС якоря может образоваться тангенциальный по-

ток Φ

, сильно насыщающий тела ротора и статора и существенно

уменьшающий поле возбуждения Φ

. Для уменьшения влияния МДС

якоря применяются компенсационная обмотка 5 (рис. 65.8) и радиаль-

ные вставки из немагнитной стали 6. Аналогичные немагнитные

вставки могут быть сделаны в теле ротора. Имеется также ряд других

исполнений униполярных машин.

(

Рис. 65.8. Униполярный генератор

354

Униполярные генераторы применяются для получения больших

токов (до 1,5æ10

А в длительном режиме и 1,8æ10

А в импульсе)

при низких напряжениях (1—100 В в длительном режиме, до 800 В в

импульсе). Машины предельной мощности выполняются с жидкоме-

таллическим токосъемом из сплава натрия и калия. В указанном диа-

пазоне токов и напряжений униполярные генераторы превосходят по

своим технико-экономическим показателям коллекторные (в унипо-

лярных машинах отсутствуют основные и добавочные магнитные по-

тери и многие другие добавочные потери). Области применения уни-

полярных генераторов: электролиз, питание электромагнитов уско-

рителей, электромагнитных кондукционных насосов (см. § 65.7).

65.8. Манитоидродинамичесие машины постоянноо тоа

Магнитогидродинамическими называют электромеханические

преобразователи, действие которых связано с перемещением жидко-

сти или газа в магнитном поле. Простейшим магнитогидродинамиче-

ским двигателем является электромагнитный насос постоянного то-

ка, предназначенный для перемещения жидких металлов (рис. 65.9).

В этом насосе канал 1 с проводящей жидкостью (обычно расплавлен-

ными металлами: ртутью, литием, натрием, калием и др.) помещается

между полюсами N и S электромагнита 2. По электродам 4, питаю-

щимся от внешнего источника с напряжением U через жидкость про-

пускается постоянный ток I. Поскольку ток подводится к жидкости

через электрический контакт, т.е. кондуктивно, такой насос называет-

ся кондукционным. На элементарные объемы жидкости dV воздейст-

вуют электромагнитные силы . Под влиянием появивше-

гося напора жидкость приходит в

движение со скоростью v, при кото-

рой наблюдается равновесие напря-

жений, т.е. U – Е = R

I, где E =

= Bl

v. Эта скорость зависит от гид-

равлического сопротивления трак-

та, по которому циркулирует прово-

дящая жидкость (см. гл. 36).

Для ослабления размагничиваю-

щего влияния поперечного поля,

образованного током I, между по-

люсом и каналом помещается ком-

пенсационная шина 3, по которой

во встречном направлении протека-

ет тот же ток I.

–

dV=



(

Рис. 65.9. Электромагнитный насос

постоянного тока

355

Основное достоинство электромагнитных насосов — отсутствие

движущихся частей, что открывает возможность полной герметиза-

ции гидравлического тракта. Благодаря этим особенностям они полу-

чили применение в установках с ядерными реакторами для создания

циркуляции жидкометаллических теплоносителей, c помощью кото-

рых отводится тепло от редуктора.

Для питания насосов постоянного тока требуется источник с очень

большим током и небольшим напряжением. Для этой цели наиболее

подходят униполярные генераторы.

Магнитогидродинамические двигатели постоянного тока в виде

плазменных двигателей, по-видимому, найдут применение в косми-

ческих аппаратах для создания небольшой силы тяги при перемеще-

нии на больших расстояниях от планет. В этих двигателях в качестве

рабочего тела используется плазма, т.е. высокотемпературный

(2000—4000 °С и более) ионизированный электропроводящий газ.

Магнитогидродинамические-машины, как и другие электромехани-

ческие преобразователи, обратимые. Поэтому они могут использо-

ваться и для генерирования электрической энергии. Так, преобразова-

тель по рис. 65.9 может быть использован для получения постоянного

тока. Для этого через его канал 1 нужно пропускать со скоростью v

проводящие жидкость или газ. Если в канале будет создано магнит-

ное поле с индукцией В, на электродах наведется ЭДС E = Bl

v и при

замыкании цепи якоря на сопротивление нагрузки R

появится ток I =

= E /(R

+ R

). В настоящее время плазменные МГД-генераторы уже

применяются для генерирования весьма больших мощностей в им-

пульсе.

65.9. Двиатели пльсирющео тоа

Прогресс в создании мощных, надежных и практически не требую-

щих ухода полупроводниковых вентилей привел к широкому распро-

странению машинно-вентильных систем (МВС), в кото-

рых успешно сочетаются достоинства коллекторных ма-

шин постоянного тока и полупроводниковых управляемых

выпрямителей (УВ). Такие МВС позволяют получить са-

мые разнообразные механические характеристики приво-

да и обеспечивают экономичное регулирование частоты

вращения в широких пределах (рис. 65.10). Сфера их при-

УВ

СР

ДПТ

Рис. 65.10. Структурная схема машинно-вентильной системы с

двигателем пульсирующего тока ДПТ, питаемым от сети трехфаз-

ного или однофазного тока через управляемые выпрямители УВ

356

менения в промышленности и на транспорте быстро расширяется; по-

добная система принята в качестве основной при электрификации же-

лезных дорог на однофазном токе промышленной частоты.

Напряжение и ток на выходе УВ содержат помимо основной по-

стоянной составляющей еще и ряд паразитных гармонических со-

ставляющих, осложняющих работу двигателей, вызывая ухудшения

коммутации и потенциальных условий на коллекторе, дополнитель-

ные потери и повышенный нагрев машины, пульсацию ее вращающе-

го момента. Исследование физических процессов в таких двигателях

выявили столь существенные их особенности, что в настоящее время

они выделены в особый класс электрических машин — двигатели

пульсирующего тока (ДПТ) и подробно освещены в специальной ли-

тературе [66].

В отличие от однофазных коллекторных двигателей, в ДПТ взаи-

модействие переменных составляющих токов и магнитных потоков

не создает полезного вращающего момента на валу машины. Поэто-

му улучшение работы ДПТ может достигаться снижением этих со-

ставляющих путем включения в цепь якоря ДПТ сглаживающего ре-

актора (СР). Индуктивное сопротивление СР пропорционально час-

тоте, вследствие чего в токе якоря подавляются высшие гармониче-

ские. Это позволяет приближенно характеризовать токи, магнитные

потоки и вызываемые ими ЭДС в ДПТ суммой их постоянной состав-

ляющей с мгновенным значением основной гармонической.

В процессе коммутации тока якоря i

= I

0я

+ I

m я

sin ωt = I

0я

(1 +

+ k

i я

sin ωt) в секциях якоря наводится реактивная ЭДС e

= E

0р

+ E

mр

sin ωt = E

0р

(1 + k

iя

sin ωt). Здесь I

0я

и I

mя

— постоянная состав-

ляющая и амплитуда основной гармонической тока якоря; k

i я

= I

mя

/ I

0я

— коэффициент пульсации тока якоря; E

0р

и E

mр

— средние

по зоне коммутации (ЗК) значения постоянной и амплитуды основ-

ной гармонической составляющих реактивной ЭДС.

В реальных тяговых ДПТ коэффициент пульсации тока якоря дос-

тигает значений k

iя

= 0,2—0,45, т.е. за счет пульсаций мгновенное зна-

чение реактивной ЭДС увеличивается здесь на 20—45 %, что при-

водит к ухудшению коммутации тока в этих машинах.

Магнитный поток в зоне коммутации Φ

= Φ

0к

+ Φ

mк

sin (ωt + ϕ

создаваемый совместным действием МДС обмоток дополнительных

полюсов (ДП), якоря (Я) и компенсационной обмотки (КО), наводит

в коммутируемых секциях обмотки якоря коммутирующую ЭДС e

= E

0к

+ E

mк

sin (ωt + ϕ

), где E

0к

и E

mк

— ее средние по зоне коммута-

ции постоянная составляющая и амплитуда основной гармониче-

357

ской; ϕ

— фаза потока Φ

mк

и ЭДС E

mк

относительно

основной гармонической

mя

тока якоря.

Дополнительные полю-

сы ДПТ рассчитываются и

выполняются так, чтобы обеспечить возможно полную компенса-

цию постоянной составляющей E

0р

реактивной ЭДС посредством со-

ставляющей E

0к

коммутирующей ЭДС. Теоретический анализ и дан-

ные опытов показывают, что выполненные таким образом ДП прин-

ципиально не могут создать в зоне коммутации основную гармони-

ческую Φ

m к

потока, которая была бы способна навести в коммути-

руемых секциях якоря ЭДС E

m к

, достаточную для полной компенса-

ции основной гармонической E

mр

реактивной ЭДС. Объясняется это,

главным образом, демпфирующим действием вихревых и контурных

токов, вызванных Φ

m к

Образование основной гармонической потока Φ

mк

поясняет век-

торная диаграмма основных гармонических потоков в зоне коммута-

ции (рис. 65.11), построенная по данным опытов, в которых поочеред-

но подсоединялись или только обмотка ДП, или только обмотки (Я +

КО), или все обмотки (ДП + Я + КО). Можно видеть, что вектор Φ

mк

потока из последнего опыта является как бы суммой векторов потоков

из двух первых опытов. Он и совпадающий с ним по фазе вектор E

mк

могут значительно отклоняться от противофазного по отношению к

mр

положения, если двигатель выполнен без КО и имеет обычное для

машин постоянного тока исполнение (нерасслоенную сталь ярма ста-

тора и ДП). При результирующей ЭДС = , большейE

–

mр.к

–

mр

–

mк

m

mр.

mр

m



m.д

m.я

mя

m

mр

mр

m(Я+КО)

m

m.д

а)

б)

Рис. 65.11. Векторные диаграм-

мы основных гармонических

потоков в зоне коммутации и

ЭДС в коммутируемых секциях

обмотки якоря ДПТ:

а — без КО, ярмо статора и сер-

дечники ДП выполнены из мас-

сивной стали; б — с КО, ярмо

статора выполнено из массив-

ной, а сердечники ДП из листо-

вой электротехнической стали

358

, основная гармоническая E

mк

коммутирующей ЭДС будет не

улучшать, а ухудшать коммутацию (см. рис. 65.11, а).

Пульсация тока возбуждения главных полюсов (ГП) вызывает

пульсацию главного потока и появление трансформаторной ЭДС в

коммутируемых секциях якоря. При одинаковой частоте пульсации

токов якоря и в обмотке главных полюсов

= I

0г

+ I

m г

sin (ωt – α

i г

); Φ

= Φ

0г

+ Φ

m г

sin (ωt – α

Φ г

);

= E

m т

sin (ωt – α

где α

iг

; α

Φг

= α

iг

+ Ψ

; α

= α

Φг

+ π/2 — фазы основных гармониче-

ских тока возбуждения, главного потока и трансформаторной ЭДС от-

носительно основной гармонической I

mя

тока якоря; Ψ

— аргумент

комплекса магнитного сопротивления магнитопровода машины ос-

новной гармонической Φ

mг

для главного потока.

В коллекторных двигателях переменного тока трансформаторная

ЭДС e

является основной причиной осложнений в коммутации. В

этой связи в первых тяговых ДПТ последовательного возбуждения ее

искусственно снижали до малого значения путем шунтирования об-

мотки ГП резистором r

. Впоследствии было установлено, что в ДПТ

трансформаторная ЭДС E

mт

может быть с успехом использована для

компенсации ЭДС и снижения основной гармонической резуль-

тирующей ЭДС .

Расчет рационального сопротивления r

ш.рац

шунта обмотки ГП,

обеспечивающего в данном режиме наименьшее значение ΔE

, мо-

жет быть произведен по векторной

диаграмме основных гармонических

токов, потоков и ЭДС (рис. 65.12). Ее

построение выполняется следующим

образом.

На оси ординат откладывают век-

тор I

mя

. При неизменном режиме рабо-

ты ДПТ можно считать, что его вели-

–

mр

–

mр.к

ΔE

–

mр.к

–

mт

m

mр.

mт

m

mш

mя



КО ДП

ГП

m

m.р

m.а

mр

Рис. 65.12. Векторная диаграмма основных

гармонических токов, потоков и ЭДС для

ДПТ последовательного возбуждения с ра-

ционально выбранным сопротивлением

шунта обмотки ГП

359

чина не изменяется при вариации сопротивления r

шунта. Из выра-

жения

где I

mг. а

и I

mг. р

— активная и реактивная составляющие основной гар-

монической тока возбуждения ГП, следует, что при изменении r

и,

следовательно, тока I

mш

, конец вектора I

mг. р

должен скользить по дуге

полуокружности токов, построенной на векторе I

mя

как на диаметре,

а конец вектора E

mт

= I

mш

— по полуокружности ЭДС с центром O

на

оси абсцисс.

Для определения рациональной трансформаторной ЭДС E

mт

обеспечивающей в данном режиме работы ДПТ наименьшее значе-

ние , откладываем на оси ординат вектор так,

чтобы его конец совпадал с точкой начала координат 0. К его началу

пристраиваем вектор и определяем таким образом вектор =

= (см. рис. 65.11, б). Имея в виду, что при изменения сопро-

тивления r

вектор перемещается по окружности с центром O

придем к заключению, что наименьшее значение получится, ко-

гда конец вектора будет находиться в точке b

на линии O

. Со-

противление r

, обеспечивающее такое положение вектора , по-

зволяет получить наилучшую коммутацию в данном режиме работы

ДПТ.

Пульсация токов и магнитных потоков вызывает в машине допол-

нительные пульсационные потери различной природы, вызываемые

повышением действующего тока в проводниках обмоток из-за его пе-

ременной составляющей, вихревыми токами в проводниках от собст-

венных и внешних пульсирующих магнитных полей, вихревыми то-

ками в элементах магнитопровода от пульсации магнитных полей.

В выполненных тяговых ДПТ при k

iя

= 0,2—0,45 эти потери сни-

жают КПД машины в номинальном режиме на 0,5—0,8 %.

Взаимодействие пульсирующих токов и магнитных потоков созда-

ет пульсацию вращающего момента

m = c

= M

–

(1 + k

i я

sin ωt) [1 + k

Φ г

sin (ωt – α

Φ г

)] =

= M

–

+ m

где M

–

= c

0я

0г

— постоянная его составляющая, создаваемая взаи-

модействием постоянных составляющих тока якоря и главного потока;

mя

mг.р

mг.а

mш

+()

+ const==

ΔE

–

mр.к

–

mт

+= E

–

mр

–

mк

–

mр.к

–

mр

–

mк

–

mт

ΔE

–

mт

–

mт