Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

подвижный ферромагнитный сердечник (статор) при якорном управлении может

быть массивным.

Из-за наличия большого немагнитного зазора между внешним и внутренним

статорами требуется сильная обмотка возбуждения, габариты машины увеличива-

ются, а к. п. д. уменьшается. Подобные двигатели выпускаются мощностью

до 10—15 em.

Двигатели с печатной обмоткой якоря (рис. 11-9) также обладают малой инер-

цией. Якорь этого двигателя имеет вид тонкого диска из немагнитного материала

(текстолит, стекло и т. д.), на обеих сторонах которого расположены медные про-

водники обмотки якоря. Проводники выполняются путем гальванического трав-

ления листов медной фольги, наклеенных на диск якоря, либо гальваническим

А-А

Рис. 11-8. Исполнительный двигатель постоянного тока с по-

лым немагнитным якорем

1 — передний щит; 2 — щеткодержатель; S — крышка смотрового лю-

ка; 4 — коллектор; 6 — обмотка возбуждения; 7 — полюс; 8 — полый

якорь; 9 — внутренний статор; 10 — задний щит

осаждением или переносом меди. Обмотка, изготовляемая таким способом, полу-

чила название печатной. Схема обмотки якоря обычная, двухслойная, причем

проводники-отдельных слоев расположены на разных сторонах диска и соединя-

ются электрически между собой через отверстия в диске. Серебряно-графитные

щетки скользят по неизолированной поверхности элементов обмотки якоря, как

по коллектору.

Возбуждение осуществляется с помощью постоянных магнитов или обмотки

возбуждения. Напряжение таких машин составляет 6—50 в. Ввиду хороших

условий охлаждения допустимы большие плотности тока в обмотке якоря (до

30—40 а!мм

при продолжительном режиме работы). В случае необходимости

быстрого торможения после снятия напряжения сигнала диск якоря изготовляется

из алюминия.

Тахогенераторы представляют собой маломощные электрические генераторы

(обычно до Р

= 10 ч- 50 em), которые служат в системах автоматики для пре-

образования скорости вращения в электрический сигнал (напряжение U

). От

тахогенераторов требуется линейная зависимость l/

= f (п) с точностью до

0,2—0,5%, а иногда с точностью до 0,01%. В маломощных тахогеиераторах при

ч = 1000 об/мин напряжение 1/

= 3 н- 5 в, а в более мощных тахогеиераторах

обычного применения при такой же скорости вращения U

= 50 -s- 100 в.

Большинства тахогенераторов имеет обычную конструкцию машин постоян-

ного тока с независимым возбуждением при i

= const или с постоянными магни-

тами При необходимости уменьшения механической инерции и устранения

зубцовых пульсаций напряжения применяют конструкцию с полым якорем

Рис 11-9. Двигатель постоянного тока с печатной обмоткой якоря: а — разрез

Двигателя, б — обмотка якоря

/ — диск якоря с обмоткой, 2 — вал, 3 — втулка, 4 — Щетки н щеткодержатель, 5 —

постоянные магниты (полюсы), 6 — полюсные наконечннкн, 7 й Я — дяскн из нагннтно-

мягкой стали

(см. рис. 11-8). В последнее время разрабатываются также униполярные тахо-

генераторы (см. рис. 11-7) с электромагнитным возбуждением или с постоян-

ными магнитами. При этом отсутствуют коллекторные пульсации напряжения,

однако U

мало.

Исполнительные двигатели и тахогенераторы нормальной конструкции и

с постоянными магнитами выпускаются в СССР серийно. Широко применяются

также исполнительные двигатели и тахогенераторы перемерного тока.

§ 11-3. Электромашинные усилители

Общие сведения. В автоматических устройствах возникает необходимость

усиления электрической мощности, получаемой от различных маломощных изме-

рительных элементов или преобразователей (температуры, давления, влажности,

химйческого свойства среды и т. д). В частности, преобразователями скорости

вращения являются рассмотренные выше тахогенераторы. Использованные для

указанной цели устройства называются усилителями.

В технике применяются различные виды усилителей электрической мощности:

эдектроцные (ламповые), полупроводниковые, магнитные и электромашинные.

Последние представляют собой специальную разновидность электромашиниых

генераторов, которые приводятся во вращение приводными электрическими дви-

гателями с п = const. Усиление мощности при этом происходит за счет мощности,

получаемой от приводного двигателя. Электромашиниые усилители (ЭМУ) при-

меняются для автоматического управления работой электрических машин в раз-

личных производственных и транспортных установках [34].

Коэффициентом усиления усилителя й

называется

отношение выходной мощности Р

вых

к входной мощности Р

вх

= P

,x/Pn

(11-1)

Мощность Р

вх

называется также мощностью управления или сигнала. Коэф-

фициент усиления мощности ЭМУ достигает значений k

= 1000 ч- 10000.

Различают также коэффициенты усиления тока

Й,=/вых//вх (11-2)

и напряжения

= U

. (11-3)

Очевидно, коэффициент усиления мощности

(11-4)

Обычно требуется, чтобы при изменении режима работы ЭМУ й

= const.

Для этого магнитные системы-ЭМУ выполняются ненасыщенными.

От ЭМУ требуется также большое быстродействие работы, т. е. быстрое изме-

нение Я

вых

при изменении Р

вх

. Быстродействие определяется электромагнит-

ными постоянными времени обмоток ЭМУ.

T=L/r.

Быстродействие ЭМУ можно оценить некоторой эквивалентной постоянней

времени Г

, учитывающей, скорость протекания переходных процессов в ЭМУ

в целом. Обычно Т

0,05 -s- 0,3 сек.

Во избежание замедляющего действия вихревых токов, индуктируемых при

изменении Ф в магнитопроводе, последний изготовляется полностью из листовой

электротехнической стали высокого качества. Влияние гистерезиса Магниткой

цепи сводится'» минимуму выбором соответствующей марки стали, а также спе-

циальными дополнительными мерами.

Для оценки качества ЭМУ вводится также понятие добротности /г

которая определяется как

(11-5)

Желательно, чтобы k

было больше, что возможно при больших k

и малых T

Однако увеличение k

обычно приводит к увеличению Т

и наоборот. Например,

при увеличении сечений магнитопровода ЭМУ магнитный потай, выходное напря-

жение, выходная мощность и коэффициент усиления мощности увеличиваются.

Однако одновременно увеличиваются также индуктивности и постоянные вре-

мени обмоток. Поэтому величины fey и Т

приходится выбирать компромиссным

образом.

Номинальная выходная мощность современных ЭМУ достигает 100 кет. Мощ-

ность управления колеблется от долей ватта до нескольких ватт. Первые ЭМУ были

построены в 1937 г.

Одноступенчатые ЭМУ с независимым возбуждением. В качестве простейшего

ЭМУ можно рассматривать обычный генератор постоянного тока с независимым

возбуждением с расслоенной магнитной цепью инДуктора и якоря. Прн этом об-

мотка возбуждения является обмоткой управления, а цепь якоря — выходной

непью. Так как в таких генераторах Р„ = (0,01 -f- 0,02) Р

, то = 50 + 100,

234 Машины постоянного тока (Разд. /

Ввиду малой величины k

такие усилители применяются редко. Впрочем, в ка-

честве подобных ЭМУ можно рассматривать обычные электромашинные возбу-

дители крупных машин постоянного и переменного тока.

Двухмашинные ЭМУ. Рассмотренные выше простейшие ЭМУ имеют одну

ступень усиления мощности — от обмотки возбуждения (управления) к обмотке

якоря. Для увеличения k

ЭМУ изготовляются с двумя или большим количеством

ступеней усиления. Общий коэффициент усиления k

при этом равен произведе-

нию коэффициентов усиления от-

-о

дельных ступеней. Например,

в двухступенчатых усилителях

ky — kyiky

Рис. 11-10. Схема двухмашинного

лителя

уси-

, /3) является

(11-6)

Простейший двухступенчатый

усилитель представляет собой кас-

кадное соединение двух генерато-

ров постоянного тока (рис. 11-10).

Обмотка возбуждения генератора 1

является обмоткой управления ОУ.

Якорь генератора 1 питает обмот-

ку возбуждения ОВ генератора 2,

выходной цепью, подключаемой

цепь якоря последнего

к управляемому объекту.

ЭМУ по схеме рис. 11-10 изготовляются западногерманской фирмой «Сименс-

Шуккерт» под названием «рапидин». Обе машины располагаются в общем корпусе.

При этом достигается k

= 10000.

Обычно все ЭМУ имеют несколько обмоток управления, которые размещаются

рядом друг с другом на общем участке магнитной цепи (полюсах). При этом

можно осуществлять управление в зависимости от нескольких величин (например,

в зависимости от скорости вращения и тока

якоря двигателя прокатного стана и т. п.).

Двухступенчатые ЭМУ поперечного поля

являются самыми распространенными ЭМУ и

были разработаны фирмой «Дженерал электрик»

(США) в 1937 г. под названием «амплидин».

Такие ЭМУ изготовляются обычно с неявно-

выраженными полюсами и с 2р = 2. В СССР

такие ЭМУ выпускаются серийно.

Рассматриваемый вид ЭМУ является кон-

структивным развитием генератора поперечного

поля (см. § 11-1) и по принципу действия ана-

логичен ему.

Обмотки управления ОУ (рис. 11-11) соз-

дают первоначальный поток Ф

по продольной

оси. Этот поток индуктирует э. д. е., которая

вызывает ток I

= ^Фу в короткозамкнутой

цепи якоря (щетки 1—1). Ток t

, протекая по

обмотке якоря и поперечной подмагничивающей

обмотке ПО, создает поток = Ш

поперечного

поля. Поток Ф

индуктирует э. д. с. в выходной цепи (щетки 2—2), в результате

чего в цепи нагрузки возникает ток /

= /

вь]х

и на выходных зажимах — напря-

жение 1/

= С/

Вых

Продольная размагничивающая н. с. тока /

практически полностью компен-

сируется с помощью компенсационной обмотки КО, чтобы снизить мощность

управления и увеличить коэффициент усиления. Если действие КО является

слишком сильным, то возникает опасность самовозбуждения ЭМУ как генератора

последовательного возбуждения, в результате чего нормальная работа ЭМУ нару-

Рис. 11-11. Схема ЭМУ с по-

перечным полем

помощью

шается. Обычно КО выполняется с некоторым запасом (перекомпенсация),

и регулирование (ослабление) ее действия

тирующего сопротивления /?

(рис. 11-11).

Форма вырубок листов стали статора

ЭМУ и расположение обмоток статора пока-

заны на рис. 11-12. Компенсационную обмот-

ку, с целью достижения компенсации реак-

ции якоря не только по величине, но и по

форме, выполняют распределенной. Обмотка

якоря обычно имеет небольшое укорочение

шага Применение поперечной подмагничи-

вающей обмоти ПО позволяет уменьшить ве-

личину тока и улучшить тем самым ком-

мутацию щеток 1—1 (см. рис. 11-11). Поэтому

добавочных полюсов в поперечной оси

обычно не делают. Коммутация щеток 2—2

улучшается с помощью добавочных полюсов

(рис 11-12).

Для уменьшения влияния гистерезиса

вокруг спинки сердечника статора наматы-

вают размагничивающую обмотку, питаемую

переменным током. Поток этой обмотки

замыкается в сердечнике статора по окруж-

ности и не проникает в якорь. Ширина

петли гистерезиса при таком размагничи-

вании сужается. На рис. 11-12 эта обмотка

не показана.

Двуступенчатые ЭМУ поперечного поля

обычно имеют мощность до Я

= 20 квт и

коэффициент усиления до k

= 10000. Построены также многополюсные ЭМУ

с сильной поперечной подмагничивающей обмоткой и добавочными полюсами

для улучшения коммутации щеток 1—1 мощностью до Я

= 100 квт.

Существуют также некоторые другие, менее распространенные типы ЭМУ.

Форма вырубок ли-

статора ЭМУ с по-

перечным полем и размещение

обмоток статора

/ — обмотки управления; 2 — по-

перечная подмагннчивающая обмот-

ка, 3 — компенсационная обмотка;

4 — обмотка добавочных полюсов

выходной цепи

§ 11-4. Машины постоянного тока с полупроводниковыми

коммутаторами

Коллектор и щеточный аппарат машины постоянного тока составляют узел,

вызывающий трудности при проектировании, изготовлении и эксплуатации ма-

шины. Отсюда вытекает желание заменить этот узел бесконтактны^ коммутатором

тока, что возможно осуществить с помощью управляемых электрических венти-

лей, в особенности полупроводниковых.

Построить электромашинный источник постоянного тока без механического

коллектора нетрудно. Для этой цели можно использовать синхронный генератор

(см. разд. 5) в сочетании с полупроводниковым выпрямителем постоянного тока.

Поэтому основной задачей является создание двигателей постоянного тока с полу-

проводниковыми коммутаторами. Возможны две разновидности таких двигателей.

В обоих разновидностях обмотка якоря вместе с полупроводниковым коммута-

тором располагается на неподвижной части машины (статоре), а индуктором

является ротор машины. При этом на роторе размещаются полюсы в виде постоян-

ных магнитов или возбуждаемые постоянным током через контактные кольца.

В первом случае двигатель полностью лишен скользящих электрических кон-

тактов (бесконтактный двигатель).

На рис. 11-13 схематически изображен двигатель, в котором применяется

такая же замкнутая обмотка якоря 1, как и у обычных машин постоянного тока.

Для простоты на рис. 11-13 представлен двухполюсный дввгатель с малым коли-

чеством секций в йбмотке якоря. Роль коллекторных пластин н щеток здесь

играют управляемые полупроводниковые вентили—тиристоры 1', 1", 2', 2" и т д.,

соединяющие обмотку якоря 1 со сборными шинами 2. Шины 2, в свою очередь,

присоединяются к сети постоянного тока.

+ -

Рис. 11-13. Схема двигателя постоянного тока с полупровод-

никовым коммутатором и с обмоткой якоря типа обмотки

постоянного тока

В положении ротора 3, изображенном иа рис. 11-13, ток должны проводить

тиристоры групп 2' — 2" я 6' — 6". Предположим, что ток проводят тиристоры

2' и 6". Тогда ток 1

= 2i

распределится по обмотке якоря так, как показаис)

на рис. 11-13. Пусть при этом создается поток реакции якоря Ф

, направление

которого также показано на рис. 11-13. Тогда возникнет электромагнитный мо-

мент М, под воздействием которого ротор будет поворачиваться по часовой стрелке.

После поворота ротора на

оборота необходимо отключить тиристоры 2 , 6" »

включить тнрисюры 3',7", затем после поворота ротора на '/

оборота —

включить тиристоры 4', 8" и т. д. В результате такого согласованного с вра-

щением ротора переключения тиристоров рассматриваемая машина работает

подобно нормальной машине постоянного тока и имеет такие же характе-

ристики.

Включение и отключение тиристоров производится посредством подачи на их

управляющие электроды импульсов электрического напряжения с соответствую-

щей длительностью. Эти импульсы вырабатываются специальным устройством,

реагирующим на положение ротора (на рис. 11-13 не показано). В простейшем

случае такое устройство состоит из вспомогательного постоянного магнита,

укрепленного на роторе двигателя, и из укрепленных на статоре, по его

окружности, катушек, число которых равно числу секций якоря. Постоян-

ный магнит при вращении ротора индуктирует поочередно в катушках

э. д. е., которые подаются на управляющие

электроды.

При большом числе секций двигатель

рассматриваемого типа обладает хорошими

свойствами, однако при этом требуется

большое количество тиристоров и сложное

устройство управления ими. Поэтому в'на-

стоящее время преимущественно применя-

ются двигатели со схемой, изображенной на

рис. 11-14.

В верхней ча^ти рис. 11-14 изобра-

жена схема полупроводникового коммута-

тора, а в нижней части — схематическое

устройство двигателя с 2р = 2. На ста-

торе этого двигателя имеются три обмотки

(«фазы») А, В, С, сдвинутые по окружно-

сти на 120°. Устройство этих ббмоток ана-

логично устройству обмоток яксфя машин

переменного тока (см. § 21-1). Каждая из

обмоток при питании ее токоЬ создает Маг-

нитный поток, действующий по ее оси,

и поэтому потоки отдельных обмоток также

сдвинуты н§ 120°.

Одновременно питаются током все три

обмотки, притом направления токов в них

поочередно меняются в такой последова-

тельности, как показано на рйб. 11-15, а.

Из этого же рисунка становится ясным,

как при этом поворачивается в Простран-

стве магнитное поле обмотки якоря. В ре-

зультате взаимодействия магнитного поля и индуктора последний будет пово-

рачиваться вслед за полем якоря. Управление полупроводниковым коммутато-

ром осуществляется по такому же принципу, как и у двигателя, рассмотрен-

ного выше.

Отметим, что коммутатор, изображенный на рис. 11-14, в сущности является

полупроводниковым инвертором, преобразовывающим постоянный ток в трех-

фазный-переменный ток.

На рис. 11-15, б представлены идеализированные кривые токе в «фазах»

обмотки. Цифрами 1—6 на этом рисунке указаны интервалы времени, которые

соответствуют позициям /—6 на рис. 11-15, а. В действительности благодаря

сглаживающему влиянию индуктивностей обмотки форма кривых тока прибли-

жается к синусоидальной.

На основании изложенного представленная йа рис. 11-14 машина является

в сущности трехфазной синхреиной машиной (см. разд. 5), которая пи-

тается через трехфазный инвертор тока. Однако оиа обладает всеми свой-

ствами обычной коллекторной машины постоянного тока по той причине,

Рис. 11-14. Схема двигателя по-

стоянного тока с полупроводни-

ковым коммутатором н с обмот-

кой якоря типа обмотки пере-

менного тока

238

Машины постоянного тока [Разд. I

что питание ее обмотки якоря током производится в функции угла поворота

ротора так же, как в обычной машине постоянного тока.

lLT*-

I i

r+m

Рис. 11-15. Последовательность направлений токов в «фазах» обмотки якоря

двигателя по схеме рис. 11-14 (а) и идеализированные формы кривых тока в «фа-

зах» обмотки якоря (б)

Более подробные сведения о машинах постоянного тока с полупроводнико-

выми коммутаторами содержатся в книге И. И. Овчинникова и Н. И. Лебедева [37].

§ 11-5. Магнитогидродинамические машины постоянного тока

Магнитная гидродинамика (МГД) является областью науки, изучающей зако-

номерности физических явлений в электропроводящих жидких и газовых средах

прн их движении в магнитном поле. На этих явлениях основан принцип действия

различных магнитогидродинамических (МГД) машин постоянного и переменного

тока. Некоторые МГД машины начинают в последнее время находить применение

в различных областях техники, а другие имеют значительные перспективы при-

менения в будущем. Ниже кратко рассматриваются принципы устройства и дей-

ствия МГД машин постоянного тока [43, 44].

Электромагнитные насосы для жидких металлов. В насосе постоянного тока

(рис. 11-16) канал 2 с жидким металлом помещается между полюсами электро-

магнита

не помощью электродов3, приваренных к стенкам канала, через жидкий

металл пропускается постоянный ток от внешнего источника. Так как ток к жидко-

у металлу в данном случае подводился кондуктивным путем, то такие иасосы

называются также кондукционными.

При взаимодействии поля полюсов с током в жидком металле на частицы

металла действуют электромагнитные силы, развивается напор и жидкий металл

приходит в движение. Токи в жидком металле искажают поле полюсов («реакция

якоря»), что приводит к снижению эффективности насоса. Поэтому в мощных насо-

сах между полюсными наконечниками и каналом помещаются шины («компенса-

ционная обмотка»), которые включаются последовательно в цепь тока канала во

встречном направлении. Обмотка возбуждения электромагнита (на рис. 11-16 не

показана) обычно включается последовательно в цепь тока канала и имеет при

этом только 1—2 витка.

Применение кондукционных насосов возможно для малоагрессивных жидких

металлов и при таких температурах, когда стенки канала можно изготовить из

жаропрочных металлов (немагнитные нержавеющие стали и т. д.). В противном

случае более подходящими являются индукцион-

ные насосы переменного тока (см. § 29-5).

Насосы описанного типа стали находить приме-

нение около 1950 г. в исследовательских целях и

в таких установках с ядерными реакторами, в кото-

рых для отвода тепла из реакторов используются

жидкометаллические теплоносители: натрий, калий,

их сплавы, висмут и др. Температура жидкого

металла в иасосах при этом составляет 200—600 °С,

а в некоторых случаях до 800 °С. Один из выпол-

ненных насосов для натрия имеет следующие

расчетные данные: температура 800 °С, напор

3,9 кгс!см

, расход 3670 м

/ч, полезная гидра-

влическая мощность 390 квт, потребляемый ток

250 000 а, напряжение 2,5 в, потребляемая мощ-

ность 625 квт, к. п. д. 62,5%. Другие характерные

данные этого насоса: сечение канала 53 X 15,2 с*?,

скорость течения в канале 12,4 м/сек, активная

длина канала 76 см.

Преимущество электромагнитных насосов состоит в том, что они не имеют

движущихся частей и тракт жидкого металла может быть герметизирован.

Насосы постоянного тока требуют для питания источников с большой силой

тока и малым напряжением. Для питания мощных насосов выпрямительные уста-

новки малопригодны, так как они получаются громоздкими и с малым к. п. д.-

Более подходящими в этом случае являются униполярные генераторы

(см. §11-1).

Плазменные ракетные двигатели. Рассмотренные электромагнитные насосы

являются своеобразными двигателями постоянного тока. Подобные устройства

в принципе пригодны также для разгона, ускорения или перемещения плазмы,

т. е. высокотемпературного (2000—4000 °С и больше) ионизированного и поэтому

электропроводящего газа. В связи с этим производится разработка реактивных

плазменных двигателей для космйческих ракет, причем ставится задача получения

скоростей истечения плазмы до 100 км/сек. Такие двигатели не будут обладать

большой силой тяги и поэтому будут пригодны только для работы вдали от планет,

где поля тяготения слабы; однако они имеют то преимущество, что весовой расход

вещества (плазмы) мал. Необходимую для их питания электрическую энергию

предполагается получить с помощью ядерных реакторов. Для плазменных дви-

гателей постоянного тока трудную проблему составляет создание надежных

электродов для подвода токэ к плазме.

Магнитогидродииамические генераторы. МГД машины, как и всякие элект-

рические машины, обратимы. В частности, устройство, изображенное на рис.

11-16, может работать также в режиме генератора, если через него прогонять

Рис. 11-16. Принцип уст-

ройства электромагнит-

ного насоса постоянного

тока

проводящую жидкость или газ. При этом целесообразно иметь независимое воз-

буждение. Генерируемый ток снимается с электродов.

На таком принципе строятся электромагнитные расходомеры воды, растворов

щелочей и кислот, жидких металлов и т. п. Э. д. с. на электродах при этом про-

порциональна скорости движения илн расходу жидкости.

МГД генераторы представляют интерес с точки зрения создания мощных элек-

трических генераторов для непосредственного превращения тепловой энергии

в электрическую. Для этого через устройство вида, изображенного иа рис. П-16,

необходимо пропускать со скоростью порядка 1000 м/сек проводящую плазму.

Такую плазму можно получить при сжигании обычного топлива, а также путем

нагревания газа в ядерных реакторах. Для увеличения проводимости плазмы

в нее можно вводить небольшие присадки легко ионизируемых щелочных ме-

таллов.

Электропроводность плазмы при температурах порядка 2000—4000 °С отно-

сительно мала (удельное сопротивление около

ом

•

см = 0,01 ом

•

м = 10

ол

•

мм

/м,

т. е. примерно в 500 000 раз больше, чем у меди). Тем не менее в мощных генера-

торах (порядка 1 млн. mm) возможно получение приемлемых технико-экономи-

ческих показателей. Разрабатываются также МГД генераторы с жидкометаллн-

ческим рабочим телом.

При создании плазменных МГД генераторов постоянного тока возникают

трудности с выбором материалов для электродов и с изготовлением надежных

в работе стенок каналов. В промышленных установках также сложную задачу

представляет собой преобразование постоянного тока относительно низкого на-

пряжения (несколько тысяч вольт) и большой силы (сотни тысяч ампер) в пере-

менный ток.