Машины постоянного тока специального назначения

Специальные машины постоянного тока

Глава сорок седьмая

СПЕЦИАЛЬНЫЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

47.1. Вентильный двигатель

Вентильные двигатели являются разновидностью двига­телей постоянного тока, у которых коллекторно-щеточный узел заменен полупроводниковым коммутатором.

Наличие коллекторно-щеточного узла в двигателях по­стоянного тока осложняет их эксплуатацию (так как тре­буются периодическая замена щеток и чистка коллектора), ограничивает их предельную мощность, не позволяет при­менять их в агрессивных и взрывоопасных средах. Вентиль­ные двигатели лишены этих недостатков. Применение их началось относительно недавно и связано с развитием полу­проводниковой техники. В настоящее время серийно выпус­каются вентильные двигатели относительно небольшой мощности.

Полупроводниковый коммутатор в вентильных двигате­лях выполняет те же функции, что и коллекторно-щеточный узел в обычных двигателях постоянного тока, т. е. изменя­ет направление тока в проводниках секций обмотки якоря при переходе из зоны действия полюса одной полярности в зону действия полюса другой полярности. Это необходимо делать, для того чтобы вращающий момент, создаваемый током, протекающим в секции, всегда сохранял одно и то же направление.

Чтобы исключить скользящий контакт в цепи якоря, для вентильных двигателей обычно применяют обращенную конструкцию машины постоянного тока. В этой конструк­ции обмотку якоря размещают на неподвижном статоре, а полюсы — на роторе.

Магнитное поле возбуждения может создаваться элект­ромагнитным путем, для чего на полюсах размещают об­мотку возбуждения, получающую питание от сети постоян­ного тока через расположенные на валу ротора контактные кольца.

Как известно, мощность возбуждения в несколько десят­ков раз меньше мощности якоря, поэтому работа щеточного контакта в этой цепи протекает более надежно, чем в якор­ной. Наряду с электромагнитным в вентильных двигателях часто применяется магнитоэлектрическое возбуждение. Для этого в полюсах устанавливают постоянные магниты. В этом случае скользящий контакт будет отсутствовать как в цепи якоря, так и в цепи возбуждения. Такие двигатели называют бесконтактными двигателями постоянного тока. Для пояснения принципа действия вентильного двигате­ля на рис. 47.1 изображена его принципиальная схема. Для сопоставления на рис. 47.2 дана схема коллекторного двигателя постоянного тока в обращенном варианте. У по­следнего коллектор неподвижен, а щетки механически свя­заны с валом машины и вращаются вместе с ротором.

У коллекторного двигателя секции подсоединяются к коллекторным пластинам, а в вентильном двигателе — через реверсивный управляемый полупроводниковый ключ — непосредственно к сети постоянного тока.

Рис. 47.1. Схема вентильного двигателя с замкнутой обмоткой якоря

Для момента времени, изображенного на рис. 47.2, по­казано распределение тока в секциях обмотки якоря. При повороте полюсов и щеток секции 1, 2, 3 и т. д. поочередно переходят в зону действия нижнего полюса, и соответствен­но в них будет изменяться направление тока. У вентильного двигателя для того же момента времени (рис. 47.1) ток в обмотку якоря поступает через ключи 1 и n. Остальные вентили в это время закрыты. Распределение тока в секци­ях обмотки якоря будет таким же, как и на рис. 47.2.

При повороте полюсов, когда секция 1 перейдет в зону действия нижнего полюса, ключи 1 и n закроются, а откро­ются ключи 2 и n+1 и т. д. В результате для любых момен­тов времени распределение тока в обмотке якоря будет та­ким же, как и у коллекторного двигателя, а вращающий момент, создаваемый проводниками обмотки якоря при протекании по ним тока, будет иметь неизменное направ­ление.

Рис. 47.2. Обращенный двигатель постоянного тока

Для поочередного включения ключей в зависимости от углового положения полюсов в двигателе предусматри­ваются специальные устройства — датчики углового поло­жения ротора.

Датчик положения состоит из возбудителя, соединенно­го непосредственно с валом двигателя, и чувствительных элементов, в которых при определенных положениях возбу­дителя должен появиться сигнал на переключение ключей полупроводникового коммутатора. Существует большое разнообразие датчиков, в которых используются чувстви­тельные элементы, реагирующие на изменение различных видов энергии: магнитной, электрической, световой и др.

В большинстве случаев обмотку якоря вентильного дви­гателя нецелесообразно выполнять с таким же большим числом секций, как и у коллекторных двигателей. С умень­шением числа секций сокращаются число полупроводнико­вых приборов и размеры преобразователя. Обычно вентиль­ные двигатели выполняют с числом секций 2—4. Наиболь­шее распространение получили трех секционные двигатели. Обмотка якоря может быть замкнутой (по типу обмотки якоря машины постоянного тока) и разомкнутой.

Рис. 47.3. Вентильный двигатель с трех секционной разомкнутой об­моткой якоря

Рис. 47.4. Вентильный двигатель с трех секционной обмоткой якоря

На рис. 47.3 показана упрощенная схема двигателя с трех секционной разомкнутой обмоткой якоря. В полупроводниковых коммутаторах в качестве ключей, включающих и отключаю­щих секции обмотки якоря, используются тиристоры или транзисторы. Тиристоры применяются в двигателях средней и большой мощности, а транзисторы — в двигателях малой мощности.

Секции обмотки якоря могут подключаться к сети через двойные или одинарные ключи. В первом случае (рис. 47.4) ток в секции может протекать в двух направлениях, при этом улучшается использование обмотки якоря, повышает­ся мощность двигателя, но усложняются схема и размеры полупроводникового коммутатора.

Во втором случае (рис. 47.3) использование обмотки якоря ухудшается, но уменьшаются размеры полупроводни­кового коммутатора. Включение обмоток якоря через оди­нарные ключи применяется в двигателях малой мощности.

Как следует из сказанного, вентильный двигатель состо­ит из трех функционально связанных между собой частей; собственно электродвигателя Д, датчиков положения ДП и полупроводникового коммутатора ПК (рис. 47.5).

Механические характеристики вентильных двигателей при большом числе секций подобны аналогичным характе­ристикам коллекторных двигателей. При ограниченном чис­ле секций, когда каждая из них будет иметь большое число витков, механические характеристики из-за влияния индуктивности L(L

w2) отклоняются от линейного характера и тем сильнее, чем больше L (рис. 47.6).

Рис.Функциональная схема вентильного двигателя

Рис. 47.6. Механические характеристики вентильного двигателя: 1 — без учета индуктивности секции; 2 — с учетом индуктивности

Регулировать частоту вращения вентильных двигателей можно теми же способами, что и в коллекторных двигате­лях. Широкое применение находят широтно-импульсный способ регулирования напряжения, для чего используется имеющийся полупроводниковый коммутатор (см. § 46.11).

47.2. Двигатели с гладким якорем

У таких двигателей на якоре отсутствуют зубцы и пазы (рис. 47.7). Проводники 1 обмотки укладывают на гладкую предварительно изолированную цилиндрическую поверх­ность сердечника 3 якоря. После этого на обмотку сверху накладывают бандаж 2 из стеклоленты и пропитывают ее в эпоксидных компаундах. В результате этого обмотка надежно закрепляется на яко­ре и приобретает монолитную конструкцию.

Рис. 47.7. Поперечный разрез двигателя с гладким якорем

Машины постоянного тока с гладким якорем в некоторых случаях имеют определенные преимущества по сравнению с машинами с зубчатым яко­рем. Эти машины могут иметь меньший момент инерции, за счет чего повышается их быстродействие. Снижение мо­мента инерции происходит из-за уменьшения объема яко­ря вследствие возможности повышения индукции в воздуш­ном зазоре В, (см. § 19.2), что невозможно в машинах с зубчатым якорем, в которых увеличение индукции огра­ничивается насыщением зубцов.

Двигатели с гладким якорем применяют также в тех случаях, когда ожидаются тяжелые условия коммутации (например, в качестве тяговых двигателей). Улучшение коммутации в таких машинах происходит вследствие того, что у них из-за отсутствия стальных зубцов реактивная ЭДС коммутируемых секций будет в 2—4 раза меньше, чем в машинах с зубчатым якорем.

В двигателях с гладким якорем по пути магнитного по­тока из полюса 4 в якорь появляется большой немагнитный промежуток, размер которого равен сумме радиального размера обмотки якоря и воздушного зазора менаду якорем и статором. Этот немагнитный промежуток в несколько раз превышает воздушный зазор в машинах с зубчатым якорем.

Наличие такого немагнитного промежутка в двигателях с гладким якорем имеет свои положительные и отрицатель­ные стороны. Положительное проявление сказывается в уменьшении влияния поперечной реакции якоря на маг­нитное поле машины. В результате этого уменьшается раз­магничивающее действие реакции якоря, благодаря чему повышается перегрузочная способность машины. Отрица­тельной стороной является значительное (в 1,5—3 раза) увеличение размеров обмотки возбуждения, так как для проведения магнитного потока через больший немагнитный промежуток требуется увеличение ее МДС, что приводит к возрастанию потерь в ней. Кроме того, у этих двигателей возрастают добавочные потери от вихревых токов в обмот­ке якоря. Возрастание этих потерь происходит вследствие того, что проводники, лежащие на поверхности якоря, бу­дут вращаться в сильном магнитном поле полюсов. В маши­нах с зубчатым якорем поле в пазу, где лежат проводники обмотки, мало и поэтому добавочные потери невелики. Наряду с этим у двигателей с гладким якорем полностью исчезают магнитные потери в зубцах якоря. При рациональ­ном проектировании таких машин полные потери и КПД их могут иметь примерно такие же значения, как и у ма­шины с зубчатым якорем.

47.3. Двигатели постоянного тока с печатными обмотками якоря

Двигатели постоянного тока с печатными обмотками обладают малым моментом инерции, большой перегрузоч­ной способностью и применяются в быстродействующих приводах. Они имеют два конструктивных варианта: с ци­линдрическим якорем и дисковым якорем.

Цилиндрический якорь с печатной обмоткой (рис. 47.8) изготовляют в виде полого цилиндра 1 из изоляционного материала, на внешнюю и внутреннюю поверхности которо­го электрохимическим путем наносят медную обмотку.

Рис. 47.8. Цилиндрический якорь с печатной обмоткой

Обмотку якоря подсоеди­няют к коллектору 2, кото­рый имеет обычное исполне­ние. Коллектор и цилиндри­ческий якорь вращаются вместе.

Машина имеет два ста­тора — внешний и внутрен­ний. Внешний статор имеет обычное для машин посто­янного тока исполнение. На нем размещают полюсы ма­шины. Внутренний статор 3 представляет собой непо­движный цилиндр из ферро­магнитного материала и служит для проведения маг­нитного потока. Его закреп­ляют на одном из подшипниковых щитов через подшипники на валу машины.

Рис. 47.9. Дисковый якорь с пе­чатной обмоткой

Дисковый якорь (рис. 47.9) представляет собой тонкий диск из электроизоляционного материала, на обе стороны которого нанесена обмотка. Этот диск располагается на ва­лу машины и вращается между полюсами, создающими поток в осевом направлении. В машине отсутствует коллек­тор, а щетки скользят по поверхности диска, соприкасаясь непосредственно с проводниками.

Вращающаяся часть якоря машин с печатными обмотка­ми имеет небольшую массу, благодаря чему снижается мо­мент инерции. В этих машинах для возбуждения часто при­меняют полюсы из постоянных магнитов.

Двигатели с цилиндрическим якорем имеют мощность от нескольких сотен ватт до нескольких киловатт, а двига­тели с дисковым якорем — несколько десятков или сотен ватт.

47.4. Тахогенераторы постоянного тока

В некоторых случаях требуется преобразовать скорость какого-либо механизма в электрический сигнал—напряже­ние. Для этой цели применяют специальные электрические машины, называемые тахогенераторами. Тахогенератор постоянного тока является генератором постоянного тока небольшой мощности и имеет обычную для этих машин кон­струкцию. Он может иметь электромагнитное или магнито­электрическое возбуждение. Вал тахогенератора сочленяют с валом механизма, скорость которого необходимо изме­рить.

Основной характеристикой тахогенератора является за­висимость напряжения на выводах его якоря от скорости: UГ=f(ω). Требуется, чтобы эта зависимость имела линей­ный характер.

Аналитическое выражение характеристики UГ=f(ω) можно получить из равенства, аналогичного (45.1):

Учитывая, что E=сωФ и Ia=UГ/RНГ, после преобразо­вания получим

Если принять переходное падение напряжения в щеточном контакте ΔUЩ=0, то будем иметь

Здесь коэффициент определяет крутизну выходной характеристики тахогенератора UГ=f(ω). Крутизна выходной характеристики обычно находится в пре­делах от 3 до 100 мВ/(об/мин). Крутизна характеристики зависит от сопротивления нагрузки. Для уменьшения влия­ния нагрузки выбирают .

47.5. Электромашинные усилители

Электромашинные усилители (ЭМУ) являются разновидностью ге­нераторов постоянного тока. ЭМУ предназначены для работы в систе­мах автоматического регулирования. Они управляют относительно большими мощностями с помощью относительно малой мощности, по­даваемой на обмотку возбуждения. Отношение мощности, снимаемой с якоря усилителя, РВЫX к мощности, подаваемой на обмотку возбуж­дения, РBX называется коэффициентом усиления:

Простейшим ЭМУ является обычный генератор независимого воз­буждения. Но коэффициент усиления этого генератора невелик и со­ставляет от 30 до 100. Для повышения точности работы систем авто­матического регулирования потребовалось создание специальных элек­трических машин (ЭМУ) с коэффициентом усиления, равным 103—105. Наиболее широкое распространение в настоящее время получили ЭМУ поперечного поля. Они’ представляют собой генератор постоянно­го тока чаще всего двухполюсного исполнения (рис. 47.10). На кол­лекторе усилителя устанавливается двойной комплект щеток, смещен­ных относительно друг друга на 90°. Щетки, расположенные по оси q, принято называть поперечными, а по оси d — продольными. Поперечные щетки q замкнуты накоротко, а к щеткам d присоединяется нагрузка. На статоре по продольной оси размещаются несколько обмоток воз­буждения, которые в ЭМУ принято называть обмотками управления (ОУ). На рис. 47.10 показана одна из них. Если через эту обмотку пропустить небольшой ток управления IУ, то он создает относительно малый поток управления ФУ, который при вращении якоря индуцирует в его обмотке ЭДС Е2. Направление этой ЭДС в проводниках обмотки показано на рис. 47.10 (слой, ближний к внешней поверхности якоря). Максимальное значение этой ЭДС будет между щетками q—q. Так как цепь этих щеток замкнута накоротко, то вследствие небольшого сопротивления поперечной цепи даже при сравнительно небольшом значении Е2 по якорю и через щетки q—q потечет значительный ток I2. Его направление совпадет с направлением ЭДС Е2. Этот ток, проте­кая по обмотке якоря, создает поток реакции якоря Ф2, направление которого совпадает с осью q. Поток Ф2 во много раз больше потока ФУ.

Рис. 47.10. Электромашинный усилитель поперечного поля

Поток Ф2 индуцирует в той же обмотке якоря ЭДС Е3, действую­щую между щетками d—d. Направления ЭДС Е3 и обусловленного ею тока в якоре I3 показаны на рис. 47.10 (внутренний слой). Ток нагруз­ки I3, протекая по обмотке якоря, создает поток реакции якоря Фа3, направленный навстречу потоку управления ФУ. Поток Фа3 во много раз больше потока ФУ, поэтому для нормальной работы усилителя по­ток Фа3 необходимо скомпенсировать. С этой целью на статоре распо­лагают компенсационную обмотку (КО). Ее включают последовательно с якорем и нагрузкой. Для более полной компенсации реакции якоря эту обмотку выполняют распределенной по пазам статора. На рис. 47.11 показан поперечный разрез пакета статора. Он, так же как и пакет якоря, собран из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. В листах вырублены три вида пазов: большие, средние и ма­лые. Распределение обмоток по пазам показано на рис. 47.11.

МДС компенсационной обмотки FK рассчитывают обычно так, что­бы она была больше МДС реакции якоря Fа3. С помощью резистора RШ, К, шунтирующего эту обмотку, регулируется степень компенсации реакции якоря. При FK=Fа3 в машине будет полная компенсация, при FK Fа3 — перекомпенсация. Наибо­лее часто ЭМУ работает с небольшой недокомпенсацией.

Для улучшения коммутации тока нагрузки IЗ по продольной оси предусмотрены дополнительные полюсы. По поперечной оси у ЭМУ ма­лой и средней мощности дополнительные полюсы обычно не устанавли­вают, так как ток I2 относительно невелик. Для того чтобы обеспечить более легкие условия коммутации для этого тока, иногда его еще боль­ше снижают за счет включения в поперечную цепь дополнительной об­мотки. Эту обмотку размещают в пазах среднего размера. Она создает поток, направленный согласно с потоком Ф2.

Рис. 47.11. Лист статора электромашинного усилителя поперечного поля

Из рассмотрения принципа действия ЭМУ поперечного поля следу­ет, что он имеет двухступенчатое возбуждение, за счет чего у него достигается высокий коэффициент усиления. Входная мощность первой ступени равна , а выходная (RУ и R2 — сопротивления обмот­ки управления и поперечной цепи). Для второй ступени входной мощ­ностью является , а выходной U3I3. Соответственно коэффициенты усиления ступеней

а результирующий коэффициент усиления ЭМУ равен их произведению:

Для увеличения коэффициента усиления магнитную систему ЭМУ выполняют ненасыщенной, что снижает мощность возбуждения. Кро­ме большого коэффициента усиления ЭМУ поперечного поля имеет от­носительно высокое быстродействие.

47.6. Сварочный генератор

Для электросварки необходимо, чтобы внешняя харак­теристика генератора U=f(I) имела крутопадающий ха­рактер. На рис. 47.12 представлена схема такого генерато­ра, выпускаемого в СССР для сварочных работ.

На статоре располагают расщепленные полюсы, т. е. полюс каждой полярности состоит из двух частей. У одного частичного полюса сердечник имеет увеличенное сечение и поэтому слабо насыщен, а у другого, наоборот, сечение уменьшено, вследствие чего он имеет повышенное насыще­ние.

Обмотка возбуждения присоединена к одной из основ­ных щеток и к щетке в, установленной между основными щетками, расположенными на геометрической нейтрали.

Рис. 47.12. Сварочный генератор

При нагрузке, когда по якорю проходит ток, он создает МДС реакции якоря Fa направление которой выбирается навстречу полю частичных полюсов N1, S1 и согласно с по­лем полюсов N2S2. Так как полюсы N1 и S1 слабо насыще­ны, то их потоки сильно уменьшаются, потоки полюсов N2 и S2 остаются почти без изменения, поскольку они имеют сильное насыщение. При этих условиях суммарный поток одноименных полюсов будет с ростом тока уменьшаться и внешняя характеристика приобретет падающий характер.

Ток возбуждения генератора будет слабо зависеть от на­грузки, так как напряжение на обмотке возбуждения опре­деляется потоком полюсов N2 и S2, который остается прак­тически постоянным.

Рис. 47.13. Внешние характеристики сва­рочного генератора

Внешние характеристики таких генераторов показаны на рис. 47.13. Сварочный ток (ток короткого замыкания) устанавливают с помощью резистора RB в цепи возбужде­ния.

47.7. Магнитогидродинамические машины

Магнитогидродинамическими машинами (МГД-машинами) называ­ются машины, в которых преобразование энергии связано с перемеще­нием жидкости или газа в магнитном поле. Они могут работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. Главными их достоин­ствами являются отсутствие движущихся частей и относительная прос­тота процесса непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую.

Конструктивно МГД-машины состоят из канала 1 (рис. 47.14), че­рез который проходит жидкость или газ, электромагнита 2, в поле которого размещается этот канал, и электродов 3, к которым в двига­тельном режиме подводится ток, а в генераторном снимается индуци­рованная ЭДС.

Рис. 47.14. Магнитогидродинамическая машина

При работе МГД-машин в генераторном режиме (МГД-генератор) через канал чаще всего непрерывно пропускают электропроводящий газ — плазму. Плазма состоит из продуктов сгорания природного топ­лива (угля, нефти, газа) и небольшой добавки (0,1—1 % по массе) щелочных металлов или их солей, обладающих низким потенциалом ионизации. Благодаря этой добавке продукты сгорания приобретают электропроводность, т. е. становятся низкотемпературной плазмой.

Прежде чем попасть в канал МГД-генератора, плазма проходит че­рез сопло и ускоряется до больших скоростей. На входе в канал она имеет температуру 2500—3000 К, а на выходе — не менее 2000 К, по­скольку при меньших температурах плазма теряет проводимость. При движении плазмы в магнитном поле на электродах появляется постоян­ная ЭДС, подобная той, которая возникает в проводниках электромеха­нического генератора. Эта ЭДС вызывает ток в подключенной к элек­тродам нагрузки. Для увеличения индуцируемой ЭДС и повышения мощности в МГД-генераторе применяют высокие скорости движения плазмы (1000—2000 м/с) и большие индукции магнитного поля. Для создания сильных магнитных полей в МГД-генераторе целесообразно использовать сверхпроводниковые магнитные системы (см. § 39.6).

47.8. Серии машин постоянного тока

Основной серией машин постоянного тока общего назна­чения, которую выпускает в настоящее время отечествен­ная промышленность, является серия 2П. Основное испол­нение серии 2П охватывает диапазон мощностей от 0,37 до 200 кВт. Машины серии выполняют с высотой оси вращения от 80 до 315 мм.

Электродвигатели серии 2П предназначены для работы как от источников постоянного тока, так и от тиристорных преобразователей. Номинальное напряжение якорной цепи 110, 220, 440 и 600 В, Возбуждение независимое, номиналь­ное напряжение возбуждения 110 или 220 В. Шкала номи­нальных частот вращения серий двигателей базируется на. синхронных частотах вращения двигателей переменного то­ка при частоте сети 50 Гц 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500 об/мин. Частота вращения электродвигателей может регулироваться как изменением напряжения якорной цепи, так и уменьшением тока возбуждения.

По степени защиты от воздействия окружающей среды двигатели серии 2П имеют два исполнения: IP 22 и IP 44 (по ГОСТ ). Первое из них соответствует защищен­ному исполнению, а второе — закрытому.

Электродвигатели с высотой оси вращения h≤100 мм выполняются двухполюсными, а с h≥112 мм — четырех-полюсными.

Режим работы машин серии 2П продолжительный. Средний срок службы 12 лет, средний ресурс 30000 ч.

Структура обозначений применяемых для машин серий

В настоящее время осваивается новая серия машин по­стоянного тока — серия 4П. По сравнению с серией 2П она имеет улучшенные массогабаритные показатели. У всех машин серии 4П имеется распределенная компенсационная обмотка, а магнитопроводы статора и якоря у них выпол­няются шихтованными.

У ряда машин серии 4П статоры выполнены по типу статоров асинхронных двигателей и не имеют явно выра­женных полюсов (см. рис. 40.12). Компенсационная обмот­ка, а иногда и обмотка возбуждения равномерно распреде­ляются но пазам. Такое выполнение статора позволяет при его изготовлении применять хорошо отработанную техно­логию производства статоров асинхронных двигателей, что снижает трудоемкость изготовления в 2,5 раза и уменьша­ет материалоемкость на 15—20 %.

Контрольные вопросы и задания

1. Объясните принцип действия и конструкцию машины постоянно­го тока.

2. Какие обмотки для якорей машин постоянного тока применя­ются? Из каких условий выбирается тип обмотки?

3. Какое влияние на работу машины постоянного тока оказывают поперечная и продольная реакции якоря?

4. Как и для какой цели выполняется компенсационная обмотка?

5. При каких условиях в машине постоянного тока будет прямоли­нейная, замедленная и ускоренная коммутация? Где и вследствие чего индуцируется реактивная ЭДС?

6. Сопоставьте внешние и регулировочные характеристики генерато­ров постоянного тока с различными способами возбуждения.

7. Объясните вид скоростных характеристик двигателей постоянно­го тока при различных способах возбуждения.

8. Как производится пуск двигателей постоянного тока?

9. Какие способы регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока Вы знаете? Укажите возможные диапазоны регулирова­ния для каждого способа?

10. Какие способы применяются для торможения двигателей посто­янного тока?

Источник