Кулик Ю.А. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 4.83. Система индукционной синхронной связи с дифференциальным сельсином при индикаторном

режиме работы

Бесконтактные сельсины. В настоящее время получили широкое распространение

бесконтактные сельсины. Их обмотки возбуждения 1 и синхронизации 2 (рис. 4.84)

расположены на статоре и остаются неподвижными при вращении ротора. При этом

отпадает необходимость в скользящих контактах. Ротор 3 представляет собой два

скошенных, разобщенных полюса, косой промежуток 4 между которыми заполнен

немагнитным материалом, (обычно силумином или пластмассой). Из-за магнитной

несимметрии, вызванной немагнитным промежутком, ротор при вращении увлекает с

собой магнитный поток. Вследствие этого поток, создаваемый неподвижной обмоткой

возбуждения, вращается вместе с ротором.

Обмотку возбуждения бесконтактного сельсина выполняют в виде двух кольцевых

катушек. Трехфазная обмотка синхронизации заложена в пазах 9 пакета статора и имеет

обычную конструкцию. Магнитная система состоит из правого и левого пакетов ротора,

торцовых пакетов 5, основного пакета статора 6 и внешнего магнитопровода 7. Все

пакеты магнитопровода набраны из листов электротехнической стали. Магнитопровод

находится в алюминиевом корпусе.

Если в данный момент времени направление тока в обмотках возбуждения 1

соответствует показанному на рис. 4.84, а, то поток в роторе проходит справа налево.

Проходя в этом направлении, в правой половине ротора поток встречает большое

магнитное сопротивление промежутка 4 и, поворачивая вверх, входит через воздушный

зазор в основной статор 6. Далее поток проходит за плоскость чертежа рис. 4.84, а (как

показано крестиком в кружке). Путь потока в статоре показан стрелками на рис. 4.84, б.

Пройдя

301

Рис. 4.84. Бесконтактный сельсин: 1 — обмотки возбуждения; 2 — обмотки синхронизации; 3 — ротор; 4 —

косой промежуток между полюсами; 5 — торцовые пакеты; 5 — основной статор; 7 — внешний

магнитопровод; 8 — алюминиевый корпус; 9 — пазы пакета статора

по окружности статора, поток попадает в нижнюю часть пакета (рис. 4.84, а, точка в

кружке). Далее через воздушный зазор поток проходит в левую половину ротора, затем,

проходя через воздушный зазор, по торцовому пакету, внешнему магнитопроводу и по

правому торцовому пакету поток входит через воздушный зазор в правую половину

ротора.

При повороте ротора поворачивается и поток, в результате чего изменяются

трансформаторные э. д. с. в фазах обмотки синхронизации.

Отсутствие скользящих контактов повышает точность передачи углов бесконтактными

сельсинами и делает их работу более надежной. Из-за наличия четырех воздушных

зазоров (вместо двух в обычном сельсине) магнитный поток при той же мощности

возбуждения в бесконтактном сельсине значительно уменьшен. Поэтому при равном

значении максимального синхронизирующего момента бесконтактные сельсины имеют

большие вес и габариты и меньший cosφ.

Магнесины. Магнесины представляют собой бесконтактные сельсины с постоянными

магнитами. Они применяются для синхронной передачи вращения на небольшое

расстояние, требующей незначи-

тельной мощности. Магнесины (датчик и приемник) имеют одинаковую конструкцию.

Статор представляет собой собраний из листов пермаллоя тороид 1 (замкнутое кольцо), на

котором равномерно намотана обмотка 2 (рис. 4.85). Обмотки датчика и приемника в

точках а присоединены к общей однофазной сети переменного тока. Обмотки имеют

отпайки б и в, расположенные под углом 120° относительно друг друга и относительно

точек а присоединения к сети. Точки б и в обоих магнесинов соединены друг с другом

соответствующими линиями связи. Точки а обоих магнесинов соединены

302

Рис. 4.85. Схема магнесинной системы синхронной связи: 1 — тороид; 2 — обмотка; 3 — ротор

через питающую сеть. В результате уравнительные токи между магнесинами могут

проходить через точки а, б и в.

Ротор представляет собой постоянный магнит, имеющий форму цилиндра, который

намагничен по диаметру.

В обмотках магнесинов индуктируются э. д. с. самоиндукции, имеющие частоту

питающей сети. При любом положении роторов эти э. д. с. не вызывают уравнительных

токов, имеющих частоту сети.

Поток, создаваемый обмотками статора, п

ульсирует с частотой сети. При изменении

потока магнитная проницаемость тороида изменяется, реагируя на каждую полуволну.

Таким образом, за один период изменения потока магнитная проницаемость дважды

достигает максимального и минимального значений.

Поток постоянного магнита ротора замыкается через тороид, поэтому, реагируя на каждое

изменение магнитной проницаемости, он пульсирует с двойной частотой сети. В

результате в участках обмотки статора индуктируются э. д. с. двойной частоты, значения

которых зависят от положения ротора.

Если роторы обоих магнесинов занимают одинаковое положение относительно точек

обмотки а, б и в (θ = 0), то в одноименных

участках обмоток индуктируются одинаковые встречно направленные э. д. с. двойной

частоты, вследствие чего уравнительный ток по ним не проходит. Если же угол

рассогласований θ ≠ 0, то э. д. с. не равны, и по обмоткам проходит уравнительные токи. В

результате взаимодействия уравнительных токов двойной частоты с потоком

постоянных магнитов ротора возникает электромагнитный синхронизирующий момент,

который стремится поверн

уть ротор таким образом, чтобы угол рассогласования θ стал бы

равным нулю. Таким образом, магнесины обладают свойством самосинхронизации в

пределах одного оборота.

Достоинствами магнесинов являются отсутствие скользящего контакта, малые вес и

габариты. Магнесины могут быть использованы лишь в тех случаях, когда синхронная

связь осуществляется при весьма малом моменте сопротивления со стороны

303

исполнительного механизма. Магнесины получили применение в авиации, например для

дистанционных компасов.

ВОПРОСЫ

1. Каким образом в неподвижной обмотке статора асинхронного тахогенератора индуктируется э. д. с,

пропорциональная скорости вращения ротора? Почему выходная э. д. с. тахогенератора имеет частоту, не

пропорциональную скорости вращения ротора, а равную частоте питающей сети? Какими э. д. с.

вызываются токи ротора асинхронного тахогенератора? Как располагаются контуры витков ротора, в

которых индуктируется э. д. с. трансф

ормации и вращения? С какой целью тахогенераторы присоединяют к

сети с повышенной частотой?

2. Чем отличается линейный поворотный трансформатор от синусного? -Каким образом при помощи

поворотного трансформатора определяют величину и направление гипотенузы прямоугольного

треугольника? Для чего применяется симметрирование обмоток поворотного трансформатора? Чем

отличаются друг от друга поворотные трансформаторы с первичным и вторичным симметрированием?

3. В чем состоит различие между индикаторной и трансформаторной схемами работы сельсинов? Какой

момент действует на ротор сельсина-датчика в случаях работы приемника в трансформаторной и в

индикаторной схемах? В чем состоит отличие конструктивного выполнения дифференциальных сельсинов

от обычных? Какую частоту имеют уравнительные токи сельсинов? Какую частоту имеют уравнительные

токи магнесинов?



304

Глава V

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ И ОДНОЯКОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИНХРОННЫХ МАШИНАХ

Определение, принцип действия, устройство. Бесколлекторные-машины переменного

тока, у которых преобразование энергии происходит вследствие механического

перемещения постоянного-магнитного потока полюсов относительно обмотки якоря,

называются синхронными. Синхронные машины отличаются от машин постоянного тока

тем, что у них отсутствует коллектор, а обмотка якоря имеет выводные концы, которые

присоединяются к сети переменного тока. Обмотка якоря (в большинстве случаев трех-

или двухфазная) создает вращающееся поле, которое взаимодействует с полем полюсов, в

результате чего возникает электромагнитная; сила, которая стремится ориентировать

ротор таким образом, чтобы поля полюсов ротора и якоря были направлены согласно.

Вследствие этого независимо от величины нагрузки поля, создаваемого якорной обмоткой

неподвижного статора, и полюса ротора вращаются с одинаковой скоростью в одн

ом

направлении, т. в. синхронно. Отсюда и название машин — синхронные. Скорость

вращения п ротора строго соответствует частоте сети f

. Согласно формуле (4.1),

Относительное перемещение потока полюсов может осуществляться при неподвижном

якоре и вращающихся полюсах или при вращающемся якоре и неподвижных полюсах. В

большинстве случаев применяется первый способ. Синхронные машины, у которых

перемещение потока полюсов относительно якоря осуществляется по второму способу,

называются обращенными. Если в машине постоянного тока точки обмотки якоря

соединить не с коллектором, а с контактными кольцами, получится обращенная

синхронная машина переменного тока. В машине обычного исполнения обмотку якоря

(рис. 5.1) располагают на статоре, а полюсы помещают на вращающемся роторе. Обмотку

возбуждения питают постоянным током через щетки и контактные кольца.

Часто ротор синхронной машины делают явнополюсным: (рис. 5.1, а); при этом

воздушный зазор в направлении оси полюса

значительно меньше, чем между полюсами. Полюсы ротора обычно представляют собой

пакет, набранный из штампованных листов электротехнической стали; на полюсах

помещается обмотка возбуждения (рис. 5.1, а). Генераторы, приводимые во вращение

тихо-

305

Рис. 5.1. Конструктивная схема синхронной машины (2р=4): а — двигатель с возбуждением от постоянного

тока; б — реактивный двигатель; в — двигатель с постоянными магнитами; 1 — обмотка якоря; 2 — статор;

3 — полюсы; 4 — обмотка возбуждения; 5 — щетки; 6 — контактные кольца

ходными гидравлическими турбинами, всегда имеют явнополюсный ротор; они

называются гидрогенераторами. Синхронные двигатели и компенсаторы, скорость

вращения которых не пре-

Рис. 5.2. Ротор с «когтеобразными» полюсами: 1 — вал; 2 — немагнитная втулка; 3 — полюс; 4 —

цилиндрический постоянный магнит

вышает 1500 об/мин, также выполняются явнополюсными. Ротор двигателей с

постоянными магнитами и некоторых других типов двигателей не имеет обмотки

возбуждения (рис. 5.1, б).

В двигателях, использующих явление гистерезиса, и в некоторых генераторах с

постоянными магнитами ротор имеет неявнополюсное исполнение (рис. 5.1, в); при этом

величина воздушного зазора одинакова по всей окружности расточки статора. Иногда

генераторы с постоянными магнитами имеют ротор с когтеобразными полюсами (рис.

5.2). Генераторы с постоянными

магнитами изготовляются мощностью от десятков до нескольких сотен ватт.

Ротор быстроходных мощных синхронных машин на 3000 об/мин выполняется

неявнополюсным. Он вытачивается из массивной стальной поковки и имеет вид

цилиндра, в котором выфрезерованы пазы для размещения в них обмотки возбуждения

(рис. 5.3). Синхронные генераторы, приводимые во вращение быстроходными паровыми

турбинами, называются турбогенераторами.

306

Конструктивное устройство синхронных микродвигателей такое же, как и асинхронных,

за исключением ротора, который имеет свои особенности.

Области применения. Все промышленные генераторы переменного тока являются

синхронными. В звукозаписи и во многих других областях техники к электродвигателям

малой мощности предъявляются требования постоянства скорости вращения. В этих

случаях удобно применять синхронные микродвигатели, которые обеспечивают

постоянную скорость вращения при колебаниях напряжения сети и нагрузки на валу. В

счетно-решающих машинах, в системах автоматики и в ракетной технике нашли широкое

применение шаговые микродвигатели с дискретным вращением вала.

В настоящее время синхронные машины широко используются в качестве двигателей

самых различных мощностей. Это связано с улучшением их пусковых характеристик и с

применением компаундирования. Важным преимуществом синхронных двигателей по

сравнению с асинхронными является способность поддерживать напряжение сети при его

колебаниях. Синхронные двигатели, имеющие возбуждение, не потребляют из сети

реактивной мощности, а могут отдавать ее в сеть, т. е. работать при опережающем токе.

Некоторые типы синхронных двигателей выполняются с самовозбуждением через

селеновые выпрямители. Коэффициент полезного действия синхронных двигателей на 1—

2% выше, чем асинхронных. Синхронные машины используются также в качестве

компенсаторов реактивной мощности, которые работают вхолостую при опережающем

токе.

Рис. 5.3. Схема поперечного разреза турбогенератора: 1 — ротор; 2 — витки возбуждения; 3 — пазы, в

которых размещается обмотка возбуждения; 4 — большой зуб ротора; 5 — зубцы ротора; 6 — статор; 7 —

пазы статора; 8 — обмотка статора

Выпускаемые электропромышленностью синхронные машины имеют диапазон

мощностей — от самых маленьких до самых крупных. В диапазоне мощностей от долей

ватта до нескольких десятков ватт наименьшие размеры имеют гистерезисные двигатели,

получившие в последние годы широкое распространение.



307

§ 5.2. РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС И ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННОГО

ГЕНЕРАТОРА

Реакция якоря. Электродвижущие силы в обмотке синхронного генератора

индуктируются в результате вращения относительно якоря постоянного потока полюсов

ротора. Поэтому частота их изменения во времени соответствует механической скорости

вращения ротора. Если трехфазная или двухфазная обмотка статора замкнута на

симметричное сопротивление, то индуктируемые в ней э. д. с. вызывают систему токов,

создающую м. д. с, вращающуюся с угловой частотой ω. Вследствие этого м. д. с.

неподвижной обмотки якоря и вращающейся обмотки возбуждения (в обращенной

машине наоборот — м. д. с. вращающейся обмотки якоря и неподвижной обмотки

возбуждения) оказываются неподвижными друг относительно друга и находятся в

постоянном взаимодействии.

Так же, как и в машинах постоянного тока, в результате действия м. д. с. якоря поле

машин, создаваемое результирующей м. д. с. F

, изменяется по величине и направлению.

Воздействие м. д. с. якоря на поле машины называется реакцией якоря.

Реакция якоря имеет место в генераторном, двигательном и Компенсаторном режиме

работы синхронной машины.

Метод анализа реакции якоря. В § 4.3 показано, что м. д. с. трехфазной обмотки может

быть представлена равномерно вращающимся вектором, который совпадает в

пространстве с осью фазы обмотки в момент времени, когда ток в ней достигает

максимального положительного значения. Проекции этого вектора на оси обмоток

определяют в соответствующем масштабе токи в фазах в любой момент времени.

Следовательно, изменив масштаб вектора м. д. с,

308

309

310