Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины т 2

Подождите немного. Документ загружается.

360

— переменная составляющая частоты ω, создаваемая взаимодей-

ствием переменной составляющей тока якоря с постоянной состав-

ляющей потока ГП; m

— переменная составляющая частоты ω, соз-

даваемая взаимодействием постоянной составляющей тока якоря с

переменной составляющей потока ГП; m

— переменная составляю-

щая частоты 2ω, создаваемая взаимодействием переменных состав-

ляющих тока якоря и потока ГП. Из переменных моментов наиболь-

шее значение имеет момент m

= M

–

iя

sin ωt, амплитуда которого

= k

iя

–

. Он не совершает полезной работы, а только создает виб-

рацию якоря. Две другие составляющие момента из-за малого коэф-

фициента пульсации потока ГП относительно малы и практически не

влияют на работу ДПТ.

361

Глава шестьдесят шестая

ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

66.1. Двхъяорные преобразователи

Наряду со статическими преобразователями, не содержащими

вращающихся частей (трансформаторами, ионными и полупроводни-

ковыми преобразователями), для преобразования электрической

энергии одного вида в другой применяются электромашинные преоб-

разователи тока. Электромашинные преобразователи тока встреча-

ются в двух исполнениях: двухъякорном и одноякорном.

Двухъякорный преобразователь состоит из двух машин, соединен-

ных механически, но электрически не связанных между собой.

Встречаются также исполнения, в которых обе машины размещены в

одном корпусе, а их роторы укреплены на общем валу. Поскольку при

преобразовании одна из машин, потребляющая энергию из первич-

ной сети, работает в режиме двигателя, а вторая — в режиме генера-

тора, двухъякорный преобразователь называют также двигателем-ге-

нератором. Наибольшее распространение получили двухъякорные

преобразователи переменного тока в постоянный. В таком преобразо-

вателе в качестве двигателя используется асинхронная или синхрон-

ная машина.

Если требуется получить неизменное постоянное напряжение, ге-

нератор постоянного тока можно выполнить с параллельным или

смешанным возбуждением. При необходимости плавного регулиро-

вания напряжения в широких пределах применяется независимое

возбуждение генератора.

Электромашинный преобразователь обратим, и при питании от се-

ти постоянного тока он может служить источником переменного тока

с плавным регулированием частоты за счет изменения частоты враще-

ния машины постоянного тока, работающей в режиме двигателя.

Двигатели-генераторы как источники постоянного тока с плавно

регулируемым напряжением находят применение в самых различных

областях, конкурируя с полупроводниковыми преобразователями.

Они применяются в так называемых агрегатах Леонарда для питания

двигателей с якорным управлением.

Однако наряду с положительными качествами (широкие пределы

регулирования напряжения, надежность в работе, возможность сбор-

ки преобразователя из серийных машин) двухъякорные преобразова-

362

тели обладают некоторыми недостатками. По сравнению с одноякор-

ными преобразователями они имеют более низкий КПД (общий КПД

равен произведению КПД двигателя и генератора), стои-

мость и габаритные размеры.

66.2. Однояорные преобразователи постоянноо тоа

Одноякорный преобразователь этого типа предназначен для пре-

образования напряжения постоянного тока. Благодаря более высоко-

му КПД, меньшим габаритным размерам и низкой стоимости его при-

менение вместо соответствующего двухъякорного преобразователя

дает существенный экономический эффект. От обычной машины по-

стоянного тока одноякорный преобразователь отличается только тем,

что на его якоре размещаются две электрически не связанные обмот-

ки 1 и 2, присоединенные к двум коллекторам (рис. 66.1). Щетки пер-

вичной обмотки 1 присоединяются к сети постоянного тока с напря-

жением U

, и со стороны этой обмотки преобразователь работает как

двигатель, потребляя из сети ток I

. При этом якорь приходит во вра-

щение с угловой скоростью Ω = (U

– R

я1

)/(c

Φ). Со стороны вто-

ричной обмотки 2 преобразователь работает как генератор, питая то-

ком I

сопротивление нагрузки R

, присоединенное к щетке этой об-

мотки. Продольный поток Φ образуется в преобразователе обмоткой

возбуждения, включенной обычно на напряжение U

. Ток в этой об-

мотке регулируется реостатом. Поскольку ЭДС E

= c

ΩΦ и E

= c

ΩΦ наводятся одним и тем же потоком, их отношение, называе-

мое коэффициентом преобразования ЭДС, зависит только от обмоточ-

ных данных (64.15)

/ E

= c

/ c

= N

/(N

где c

= pN

/(2πa

); c

= pN

/(2πa

Разность электромагнит-

ных моментов, соответст-

вующих токам первичной и

вторичной обмоток, очень

невелика и равняется момен-

ту, определяемому магнит-

ными и механическими по-

терями. Пренебрегая этими

потерями, можно считать

= c

Φ = c

Φ = M

большую

′

большие

′

(

Рис. 66.1. Одноякорный преобразователь

постоянного тока

363

найти приближенное соотношение между токами I

≈ c

. При

таком соотношении между токами их линейные нагрузки оказываются

одинаковыми (64.23)

= N

/(4a

πR) = N

/(4a

πR) = A

В связи с этим почти полностью компенсируются поперечные МДС

встречно направленных токов I

и I

– F

= (A

– A

)τ/2 = 0) и маг-

нитный поток Φ при нагрузке получается таким же, как при холостом

ходе. Имея в виду, что I

= E

/(R

я2

+ R

) и используя соотношение ме-

жду токами и выражение для Ω, не трудно выяснить, как изменяется

угловая скорость якоря с изменением нагрузки

При холостом ходе, когда R

= ×, Ω = Ω

= U

/(c

Φ), как в двига-

теле постоянного тока. С увеличением сопротивления нагрузки и то-

ков I

и I

несколько уменьшается отношение напряжений

Из приведенных формул следует, что, изменяя ток возбуждения

(поток Φ), невозможно регулировать ЭДС E

или напряжение U

. Это

объясняется тем, что, например, при увеличении Φ уменьшается час-

тота вращения и в результате ЭДС E

остается неизменной.

Одноякорные преобразователи (умформеры), применявшиеся в

передвижных радиоустановках для повышения напряжения аккуму-

ляторной батареи с 12—24 до 750—1500 В, в настоящее время почти

полностью вытесняются полупроводниковыми преобразователями.

66.3. Однояорные преобразователи переменноо тоа

в постоянный

Одноякорный преобразователь этого типа предназначен для пре-

образования переменного тока в постоянный. Благодаря меньшим по-

терям, габаритным размерам, массе и стоимости его применение вме-

сто соответствующего двухъякорного преобразователя экономически

выгодно. От обычной машины постоянного тока он отличается тем,

что симметрично расположенные точки замкнутой коллекторной об-

мотки его якоря (рис. 66.2) выведены на контактные кольца, число ко-

торых m совпадает с числом фаз преобразователя (при m ≥ 3). К сети

я2

+()

я2

+()c

я1

]+ Φ

------------------------------------------------------------------------

/ U

1 I

/ U

–()

1 I

/ U

–()

---------------------------------------------

364

переменного тока контакт-

ные кольца присоединяются

через трансформатор, кото-

рый служит для преобразо-

вания напряжения и числа

фаз. Обмотка якоря обычно

выполняется петлевой с

числом параллельных вет-

вей 2а = 2р (для постоянного

тока). К каждому кольцу

присоединяют а равнопо-

тенциальных точек обмотки

якоря. По отношению к ис-

точнику переменного тока

(вторичной обмотке транс-

форматора) обмотка якоря

оказывается соединенной многоугольником с числом фаз m и с чис-

лом параллельных ветвей на фазу, равным а. При этом кольца одно-

временно выполняют роль уравнительных соединений первого рода

для постоянного тока, протекающего по обмотке.

В установившемся режиме преобразователь возбуждается посто-

янным током I

, к его контактным кольцам подводится напряжение

, являющееся фазным напряжением для обмотки, соединенной

многоугольником, и со стороны переменного тока преобразователь

работает как обращенный синхронный двигатель, потребляя фазный

ток I

и линейный ток I

1л

= 2I sin (π/m). Якорь преобразователя враща-

ется с синхронной угловой скоростью Ω = 2π f / p, пропорциональной

частоте сети f. Со стороны постоянного тока преобразователь рабо-

тает как генератор, питая током I

, выпрямленным с помощью кол-

лектора и щеток, сопротивление нагрузки R

Пренебрегая слабо выраженным поперечным полем и считая рас-

пределение продольного поля в зазоре синусоидальным, можно ус-

тановить соотношение между напряжениями на коллекторе и щет-

ках по многоугольнику ЭДС обмотки (см. рис. 64.17), который при

большом числе секций превращается в окружность. Поскольку ЭДС

на щетках коллектора соизмерима с диаметром этой окружности,

а амплитуда ЭДС на кольцах соизмерима с хордой, на которую2E

1л

Рис. 66.2. Одноякорный преобра-

зователь переменного тока в по-

стоянный

365

опирается центральный угол 2π/ m, напряжения находятся в соотно-

шении

Практически встречающаяся несинусоидальность поля может из-

менить это соотношение примерно на 5 %.

Исходя из баланса мощностей mU

η cos ϕ = U

, можно найти

соотношение между токами: .

Как видно, это соотношение существенно зависит от угла ϕ меж-

ду напряжением U

и током I

, который связан (так же как в обычной

синхронной машине, см. § 58.9) с током возбуждения. При перевоз-

буждении или недовозбуждении по отношению к току I

, при кото-

ром cos ϕ = 1 и ток минимален , коэффициент

мощности уменьшается cos ϕ < 1, а ток увеличивается I

1л

= I

1лmin

/cosϕ > I

1лmin

У одноякорного преобразователя КПД заметно выше, чем у соот-

ветствующего двухъякорного, особенно в режиме работы, когда

cos ϕ = 1, и встречно направленные токи в секциях обмотки с наи-

большей полнотой компенсируют друг друга. В этом случае электри-

ческие потери в обмотке якоря трехфазного преобразователя (m = 3)

составляют 0,56 потерь при работе машины генератором постоянно-

го тока (в шестифазном преобразователе это отношение равно 0,27).

Кроме того, в одноякорном преобразователе примерно в 2 раза

уменьшены механические и магнитные потери, а также потери на

возбуждение.

Одноякорный преобразователь обычно пускается в ход по способу

асинхронного пуска (так же как синхронный двигатель). Для осуще-

ствления такого пуска в наконечниках его полюсов размешается

демпферная (пусковая) обмотка (см. рис. 66.2). Если в сети постоян-

ного тока имеется напряжение, преобразователь можно пустить в ход

как двигатель постоянного тока, а затем включить на параллельную

работу с сетью переменного тока способом точной синхронизации

(см. § 59.1).

Для улучшения коммутации в одноякорном преобразователе ис-

пользуются дополнительные полюсы на (рис. 66.2 показан один по-

люс с МДС F

). Поскольку большая часть поперечной МДС F

ока-

зывается в значительной мере скомпенсированной встречно направ-

ленной поперечной МДС F

от тока I

= I

cos β ≈ I

cos ϕ, МДС до-

полнительных полюсов F

может быть выбрана заметно меньшей,

чем в обычной машине постоянного тока.

/ U

/ E

≈ 2/ π / m()sin[]=

/ I

1л

mηϕcos / 2 2()=

1лmin

22I

/ mη()=

366

В свое время одноякорные преобразователи, как правило, приме-

нялись для генерирования постоянного напряжения, необходимого

для трамваев, троллейбусов и электрифицированного железнодорож-

ного транспорта. Они были вытеснены сначала ртутными, а затем по-

лупроводниковыми(тиристорными) выпрямителями и используются

лишь в специальных случаях. Одноякорный преобразователь приме-

няется также в режиме обратного преобразования в качестве источ-

ника переменного тока с регулируемой частотой (например, для пи-

тания группового электропривода).

На небольших судах одноякорный преобразователь, приводимый

во вращение посторонним двигателем, служит генератором перемен-

ного и постоянного тока. При этом для получения стандартных напря-

жений на якоре помещают отдельные обмотки для переменного и по-

стоянного тока. Применяются также небольшие синхронные генерато-

ры переменного тока, в которых обмотка возбуждения питается через

щетки от коллектора, присоединенного к обмотке якоря.

367

Глава шестьдесят седьмая

ВЕНТИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

67.1. Общие положения

Успехи в разработке достаточно надежных и экономичных управ-

ляемых полупроводниковых преобразователей приведи к широкому

внедрению в промышленности и на транспорте электромашинно-вен-

тильных систем, в которых электрические машины органически со-

вмещены с электронными компонентами управления и преобразова-

ния параметров. Примерами таких новых устройств могут служить

частотно-регулируемые асинхронные двигатели (§ 45.4), асинхрон-

но-вентильные каскады со статическими преобразователями частоты

в роторной цепи асинхронного двигателя (§ 68.4), тиристорный

(транзисторный) привод постоянного тока и двигатели постоянного

тока с импульсным управлением (§ 64.13). В последних случаях ма-

шины постоянного тока сохраняют обычную конструкцию с механи-

ческим коллектором.

Однако коллектор был и остается одним из наиболее сложных уз-

лов машины, обладающим пониженной надежностью и существенно

ограничивающим области использования коллекторных машин. Бла-

годаря прогрессу в полупроводниковой технике появилась возмож-

ность заменить коллектор бесконтактными статическими преобразо-

вателями. В настоящее время разработан и внедрен новый класс

электрических машин — бесконтактные машины постоянного тока с

полупроводниковыми коммутаторами.

Бесконтактные генераторы постоянного тока (вентильные генера-

торы) представляют собой конструктивно обычные трехфазные или

многофазные синхронные генераторы. Преобразователем в них явля-

ется полупроводниковый выпрямитель, который может быть реали-

зован на базе как неуправляемых, так и управляемых вентилей.

В вентильном двигателе, питающемся от источника постоянного

тока, преобразователем является инвертор на базе управляемых полу-

проводниковых элементов. Если питание происходит от сети пере-

менного тока, то в преобразователь входит и выпрямитель (обычно

управляемый).

Вентильный двигатель представляет собой машину с многофаз-

ным неподвижным якорем, питающимся от инвертора, управляемо-

го синхронно с вращением ротора, снабженного обмоткой возбуж-

368

дения или постоянными магнитами. Таким образом, вентильный

двигатель (ВД) состоит из электрической машины (электромеханиче-

ского преобразователя — ЭМП), вентильного преобразователя (ВП)

и связывающей их системы управления (устройства синхронизации),

куда обычно входит специальный датчик положения ротора (ДПР).

Конструктивно ЭМП является обычно машиной, обращенной по от-

ношению к машине постоянного тока и ничем не отличающейся от

обычной синхронной машины. При управлении инвертором с незави-

симым заданием частоты на его выходе двигатель обладал бы всеми

свойствами обычного синхронного двигателя с частотным регулиро-

ванием скорости.

Характерной особенностью вентильного двигателя является имен-

но самосинхронизация работы инвертора и ЭМП, при которой частота

выходного напряжения (тока), подводимого к якорю двигателя, следуя

за частотой вращения ротора, равна ей (по крайней мере, в установив-

шемся режиме работы):

= ω = p Ω.

При изменении режима работы двигателя все процессы развивают-

ся аналогично тем, которые имеют место в обычных двигателях посто-

янного тока. Например, при увеличении момента сопротивления на

валу начинается переходный режим, частота вращения ротора ω

уменьшается в течение всего времени, пока тормозной момент нагруз-

ки превышает момент, развиваемый двигателем. При этом происходит

одновременное уменьшение частоты управляющих импульсов от ДПР,

закрепленном на роторе двигателя и соответственно частоты переклю-

чения вентилей инвертора и его выходной частоты. Одновременное

снижение ω и ω

приводит к уменьшению ЭДС якоря, наведенной по-

лем возбуждения, что вызывает увеличение потребляемого тока и мо-

мента. При наступлении баланса движущего и тормозного моментов

устанавливается новый режим с новой частотой ω = ω

Как механический коллектор в обычных двигателях постоянного

тока (ДПТ), так и полупроводниковый коммутатор в ВД снабжены уст-

ройством, задающим момент времени и частоту переключения тока

(напряжения) каждой секции (фазы) машины. В механическом коллек-

торе эти функции выполняет щеточное устройство. В вентильном ком-

мутаторе аналогичную задачу решает позиционный датчик — ДПР. В

обоих случаях ток в секции (фазе) коммутирует при определенном по-

ложении относительно полюсов возбуждения. В ДПТ это положение

задается размещением щеток на коллекторе. При размещении щеток

на геометрической нейтрали коммутация тока секции происходит в

момент прохождения через нуль ее ЭДС E

от поля возбуждения,

369

фазовый сдвиг основных гармоник тока и ЭДС секции равен π, поле

якоря при этом поперечно по отношению к полюсам.

Вентильные коммутаторы могут быть выполнены на основе ин-

верторов тока или напряжения. Инвертор тока (ИТ) представляет со-

бой наиболее полный аналог механического коллектора. Датчик по-

ложения ротора, жестко связанный с валом машины, в этом случае за-

дает (путем закрепления по отношению к полюсам возбуждения в оп-

ределенном положении) фазовый угол β между основными гармони-

ками тока и ЭДС E

. В ДПТ сдвиг щеток с нейтрали в целях измене-

ния этого угла противопоказан по условиям коммутации. Для ВД этот

фазовый угол, определяющий положение поля якоря по отношению к

полю возбуждения, может рассматриваться как независимый пара-

метр управления машиной, т.е. ВД обладает дополнительными и дос-

таточно эффективными регулировочными возможностями по сравне-

нию с обычными ДПТ.

В вентильных преобразователях, выполненных на основе инвер-

тора напряжения (ИН), ДПР задает фазовый угол θ между основны-

ми гармониками напряжения и ЭДС E

. Выбором угла θ, являющего-

ся в данном случае также независимым параметром управления, мож-

но существенно влиять на электромеханические характеристики ВД.

Фаза и значение тока якоря, как и в обычных синхронных двигателях,

зависят от нагрузки и возбуждения. Так как якорь двигателя пред-

ставляет собой активно-индуктивную нагрузку, инвертор напряже-

ния должен быть снабжен обратным мостом из неуправляемых дио-

дов, через которые токи якоря возвращаются в сеть в промежутки

времени, когда ток якоря направлен навстречу напряжению на нем.

При питании от источника переменного тока ВП может быть реа-

лизован на базе преобразователя частоты с непосредственной связью

(циклоконвертера).

Комбинации различных структур, способов инвертирования, ти-

пов датчиков управляющих сигналов и ключевых элементов и схем

их коммутации позволяют получить весьма обширную гамму вен-

тильных преобразователей для ВД. Несмотря на это, все схемы ВП по

принципу преобразования электрических величин можно разделить

на ВП, работающие в режиме источника напряжения, и ВП, работаю-

щие в режиме источника тока.

Вентильные двигатели при наличии ЭМП с электромагнитным

возбуждением позволяют, как и обычные ДПТ, осуществить регули-

рование частоты вращения как за счет изменения напряжения якоря,

так и за счет изменения потока такими же методами, которые были

рассмотрены в § 64.13. При наличии звена постоянного тока (все ВП,

кроме циклоконвертера) в ВД, как и в ДПТ, можно использовать