Усилитель импульсный. Курсовая работа (т). Информатика, ВТ, телекоммуникации. 2013-10-23

Магнитная система машины постоянного тока состоит из станины (ярма), сердечников главных полюсов с полюсными наконечниками, воздушного зазора и сердечника якоря.

На рис. 26.1 показана картина магнитного поля четырехполюсной машины. При этом имеется в виду машина, работающая в режиме х.х., когда МДС соз­дается лишь обмоткой возбуждения, а в обмотке якоря и обмотке добавочных полюсов тока нет или он настолько мал, что его влиянием на картину маг­нитного поля можно пренебречь. В целях упрощения на рисунке не показаны добавочные полюсы, так как в режиме х.х. их влияние на картину магнитного по­ля машины незначительно. Как это следует из рис. 26.1, магнитный поток главных полюсов состоит из двух неравных частей: большая часть образует ос­новной магнитный поток , а меньшая — магнит­ный поток рассеяния полюсов . Поток рассеяния учитывается коэффициентом рассеяния  (см. § 20.1).

Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения на пару полюсов в режиме х.х. определяется суммой магнитных напряжений на участках магнитной цепи (рис. 26.2):

            ,                      (26.1)

где  — магнитные напряжения воз­душного зазора, зубцового слоя якоря, главного по­люса, спинки якоря, станины (ярма) соответственно.

Если машина имеет компенсационную обмотку (см. § 26.4), то в (26.1) следует ввести еще одно сла­гаемое , представляющее собой магнитное на­пряжение зубцового слоя главного полюса.

Порядок расчета магнитных напряжений на уча­стках магнитной цепи машины постоянного тока в принципе такой же, что и в случае асинхронной ма­шины (см. гл. 11). При этом расчет магнитных на­пряжений станины и сердечника главного полюса ведут по магнитному потоку главного полюса , который больше основного потока  на значение потока рассеяния :

где  — коэффициент магнитного рассеяния.

Рис. 26.1. Магнитное поле машины постоянного тока в режиме х.х.

При заданном значении ЭДС машины  определяют требуе­мое значение основного магнитного потока (Вб) [см. (25.20)]:

                                                       .                                            (26.2)

Далее рассчитывают магнитную индукцию для каждого уча­стка магнитной цепи:

                                                       ,                                      (26.3)

где  — магнитный поток на данном участке магнитной цепи. Вб;

 — площадь поперечного сечении этого участка, м².

Рис. 26.2. Расчетный участок магнитной цепи

четырехполюсной машины постоянного тока

По таблицам или кривым намагничивания для соответствующих ферромагнитных материалов находят напряженность магнитного поля на участках магнитной цепи ,а затем определяют магнитное напряжение (А)

и МДС обмотки возбуждения на пару полюсов по (26.1).

Значения магнитных напряжений для различных участком магнитной цепи неодинаковы и зависят от магнитных сопротивлений этих участков. Наибольшим магнитным сопротивлением обладает воздушный зазор, поэтому магнитное напряжение  на­много больше любого из слагаемых выражения (26.1).

Другие участки магнитной цепи выполняют из ферромагнит­ных материалов. В машинах постоянного тока для изготовления различных элементов магнитной цепи применяют следующие ма­териалы.

Сердечник якоря — тонколистовые электротехниче­ские стали марок 2021, 2312 и 2411 толщиной 0,5 мм (см. табл. 11.1).

Сердечник главного полюса — листовая анизо­тропная (холоднокатаная) сталь марки 3411 толщиной 1 мм, пла­стины не изолируют.

Станина — в машинах малой мощности станину изготов­ляют из стальных цельнотянутых труб, а для машин средней и большой мощности станины делают, сварными из листовой конст­рукционной стали марки СтЗ.

Магнитное напряжение воздушного зазора (А)

                                   ,                                       (26.4)

где  — величина воздушного зазора, мм;  — коэффициент воз­душного зазора, учитывающий увеличение магнитного сопротив­ления зазора из-за зубчатости якоря (  > 1).

Магнитная индукция в воздушном зазоре  (Тл) пропорцио­нальна основному магнитному потоку Ф. В машинах постоянного тока общего назначения  Тл (большие значения  со­ответствуютболее крупным машинам).

Обычно расчет МДС  ведут для ряда значений магнитного потока   и , а затем строят магнитную характери­стику машины , где  — относительное значение магнитного потока;  — относитель­ное значение МДС обмотки возбу­ждения на пару полюсов в режиме х.х.;  и  — номинальные значения магнитного потока и МДС в режиме х.х., соответствую­щие номинальному значению ЭДС  [см. (26.2)]. В начальной части магнитная характеристика прямо­линейна (рис. 26.3). Объясняется это тем, что при небольших значениях  магнитная цепь не насыщена и МДС возбуждения определяется, в основном, магнит­ным напряжением воздушного зазора .

Рис. 26.3 Магнитная характеристика

Затем с ростом  наступает насыщение магнитной цепи и магнитная характеристика становится криволинейной. Коэффициент насыщения магнитной цепи машины

                                        .                           (26.5)

Для машин постоянного тока .

Размагничивающее влияние реакции якоря при нагрузке машины постоянного тока учитывают при расчете числа вит­ков полюсных катушек возбуждения. С этой целью при расче­те числа витков такой катушки , используют значение МДС обмотки возбуждения , соответствующее номинальной на­грузке машины:

                                             ,                                          (26.8)

где  — ток в обмотке возбуждения, А.

Значение МДС обмотки возбуждения на пару полюсов  должно быть таким, чтобы ЭДС якоря  при работе машины с номинальной нагрузкой была такой же, что и в режиме холостого хода, когда МДС возбуждения   [см. (26.1)].

В современных машинах постоянного тока щетки устанавли­вают на геометрической нейтрали. В этом случае МДС обмотки возбуждения при нагрузке машины:

                                    .                                                       (26.9)

Здесь  представляет собой приращение МДС обмотки воз­ буждения, компенсирующее размагничивающее влияние реакции якоря по поперечной оси на пару полюсов (А).

Количественный учет размагничивающего действия реакции якоря усложнен тем, что МДС поперечной реакции якоря действует перпендикулярно оси главных полюсов и вызывает искажение магнитного потока обмотки возбуждения. Возникающее при этом размагничивание машины происходит из-за магнитного насыще­ния элементов магнитной цепи машины, в первую очередь зубцов сердечника якоря.

Рис. 26.6. График

Размагничивающее действие реакции якоря по поперечной оси учитывают введением коэффициента реакции якоря . Этот коэффициент получен в ре­зультате исследования боль­шого количества некомпен­сированных машин постоян­ного тока при различных значениях магнитной индук­ции в зубцах якоря .

Приращение МДС, ком­пенсирующее реакцию якоря по поперечной оси (А),

                                      ,                                                (26.10)

где  — МДС обмотки якоря на пару полюсов (26.6), А.

Для большинства машин постоянного тока магнитная индукция в зубцах якоря  Тл. Приращение МДС  определяют по графику  (рис. 26.6), где нижняя граница графика соответствует  = 1,7 Тл, а верхняя — =2,3 Тл.

Значение тока в обмотке возбуждения [см. (26.8)] принимают в зависимости от вида возбуждения машины постоянного тока: при параллельном возбуждении при мощности машин от 10 до 1000 кВт ток  принимают соответственно от 4,0 до 1,0% от номи­нального тока машины, а в машинах мощностью от 1 до 10 кВт -соответственно от 8,0 до 4,0%; в машинах последовательного возбуж­дения ток возбуждения принимают равным току якоря (см. § 29.6).

В машинах постоянного тока с компенсационной обмоткой (см. § 26.4) , т. е. расчет числа витков полюсной катушки (26.8) ведут по величине .

Пример 26.1. Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения мощностью  кВт работает от сети напряжением = 220 В. КПД двигате­ля при номинальной нагрузке = 0,89. Двигатель четырехполюсный, обмотка якоря простая волновая (2 =2), число эффективных проводников в обмотке N = 164, ток возбуждения составляет 1,3% от номинального потребляемого двига­телем тока. Определить число витков в полюсной катушке возбуждения , если все они соединены последовательно, воздушный зазор =2,0 мм, коэффициент воздушного зазора  = 1,3, магнитная индукция в зазоре = 0,76 Тл, в зубцах якоря  = 1,8 Тл, а коэффициент насыщения магнитной цепи машины  =1,35.

Решение. Ток, потребляемый двигателем при номинальной нагрузке.

                                    А.

Ток в обмотке возбуждения

                                           А.

Ток в обмотке якоря

                                             А.

Магнитное напряжение воздушного зазора по (26.4)

                              А.

МДС возбуждения в режиме холостого хода на пару полюсов

                                           А.

МДС обмотки якоря на пару полюсов по (26.6)

 А.

Коэффициент реакции якоря по рис. 26.6 при  и Тл равен  0,19.

Приращение МДС, компенсирующее реакцию якоря по поперечной оси, по (26.10)

                                            А.

МДС возбуждения при номинальной нагрузке двигателя по (26.9)

                                       А.

Число витков в полюсной катушке возбуждения по (26.8)

В связи с тем что реакция якоря неблагоприятно влияет на ра­бочие свойства машины постоянного тока ¹, при проектировании машины принимают меры к устранению реакции якоря или хотя бы к ослаблению ее влияния до допустимых пределов.

Компенсационная обмотка. Наиболее эффективным средст­вом подавления влияния реакции якоря по поперечной оси являет­ся применение в машине компенсационной обмотки. Эту обмотку укладывают в пазы полюсных наконечников (рис. 26.7) и включа­ют последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы МДС компенсационной обмотки  была противоположна по направле­нию МДС обмотки якоря . Компенсационную обмотку делают распределенной по поверхности полюсного наконечника всех главных полюсов машины. При этом линейную нагрузку для ком­пенсационной обмотки принимают равной линейной нагрузке об­мотки якоря.

Включение компенсационной обмотки последовательно в цепь якоря обеспечивает автоматичность компенсации МДС якоря при любой (в пределах номинальной) нагрузке машины. Таким образом, в машине постоянного тока с компенсационной обмоткой при переходе от холостого хода к режиму нагрузки закон распределения магнитной индукции в зазоре главных полюсов остается практически неизменным. Однако в межполюсном пространстве часть МДС якоря остается нескомпенсированной. Нежелательное влияние этой МДС на работу щеточного контакта устраняют при­менением в машине добавочных полюсов (см. § 27.4).

Компенсационные обмотки применяют лишь в машинах сред­ней и большой мощности — более 150—500 кВт при  > 440 В, работающих с резкими колебаниями нагрузки, например в двига­телях для прокатных станов. Объясняется это тем, что компенса­ционная обмотка удорожает и усложняет машину и ее применение в некоторых случаях экономически не оправдывается.

¹ Исключение составляют машины постоянного тока, в которых поперечное поле’ якоря используется полезно, например электромашинные усилители поперечного поля (см. § 30.1).

Рис. 26.7. Компенсационная обмотка

Увеличение воздушного зазора под главными полюсами. В машинах малой и средней мощности, не имеющих компенсацион­ной обмотки, вредное влияние реакции якоря по поперечной оси ослабляют соответствующим выбором воздушного зазора под главными полюсами. При этом следует иметь в виду, что при дос­таточно малом воздушном зазоре и значительной линейной на­грузке реакция якоря по поперечной оси может не только ослабить магнитное поле под одной из частей главного полюса, но и пере­магнитить его, т. е. изменить полярность — «опрокинуть поле». Некоторое увеличение воздушного зазора под главными полюса­ми, особенно на их краях, значительно ослабляет действие реак­ции якоря. Однако не следует забывать, что увеличение воздушно­го зазора ведет к необходимости повышения МДС обмотки главных полюсов, а следовательно, и к увеличению размеров по­люсных катушек, полюсов и габарита машины в целом.

На этом же принципе уменьшения МДС поперечной реакции якоря за счет повышенного магнитного сопротивления на пути ее действия основан и другой способ ослабления действия реакции коря. Этот способ состоит в том, что сердечники главных полю­сов делают из листовой анизотропной (холоднокатаной) стали (обычно применяют сталь марки 3411). Эта сталь в направлении проката обладает повышенной магнитной проницаемостью, а «по­перек проката» — небольшой магнитной проницаемостью. Штам­повать пластины полюсов из такой стали следует так, чтобы ось полюса совпадала с направлением проката листа стали.

 Период коммутации в современных машинах постоянного то­ка весьма мал и составляет приблизительно 10^-3 – 10^-5 с. При этом средняя скорость изменения тока в коммутирующей секции (di/ dt)_ср = 2i_а/ Т_к очень велика, что приводит к появлению в ком­мутирующей секции ЭДС самоиндукции

                                                              e_L = – L_c ( di / dt ),        (27.5)

где L_с — индуктивность секции; i — ток в коммутирующей секции.

Рис. 27.3. Магнитная связь одновременно коммути­рующих секций:

а — при полном шаге (у₁ = τ); б — при укороченном шаге обмотки якоря (у₁ < τ)

Обычно в каждом пазу якоря на­ходится несколько пазовых сторон (не менее двух), принадлежащих разным секциям. При этом если шаг обмотки полный (у₁ = τ), то все эти секции од­новременно находятся в состоянии коммутации, будучи замкнутыми раз­ными щетками (рис. 27.3, а). Обычно ширина щетки больше коллекторного деления и каждая щетка замыкает од­новременно несколько секций. Так как пазовые части коммутирующих секций лежат в одних пазах, то изме­няющийся магнитный поток каждой из этих частей наводит в пазовых частях других секций ЭДС взаимоиндукции

е_м = – М_с ( di / dt ),       (27.6)

где М_с — взаимная индуктивность од­новременно коммутирующих секций.

Обе ЭДС создают в коммути­рующей секции реактивную (резуль­тирующую) ЭДС

е_р = е _L е_м = -( L_c M _с )( di / dt ) (27.7)

которая препятствует изменению тока в коммутирующей секции. Кроме того, под влиянием реакции якоря магнитная индукция в зоне коммутации (на геометрической нейтрали) приобретает неко­торое значение В_к (см. рис. 26.4, в), под действием которой в                     ком­мутирующей секции наводится ЭДС вращения

е_вр = В_к 2 lw_cv , (27.8)

где l — длина пазовых частей секции; w_с — число витков в сек­ции; v — линейная скорость движения секции.

Электродвижущая сила вращения в отличие от реактивной ЭДС может иметь разное направление в зависимости от полярно­сти внешнего магнитного поля в зоне коммутации. Если машина не имеет добавочных полюсов, то ЭДС вращения направлена со­гласованно с реактивной ЭДС. В этом случае в контуре коммути­рующей секции действует сумма ЭДС

∑ e = e _р e _в.р. (27.9)

С учетом изложенного уравнение по второму закону Кирхгофа для коммутирующей секции замкнутой щеткой имеет вид

i ₁ r ₁ – i ₂ r ₂ = ∑ e       (27.10)

или с учетом (27.3) запишем выражение тока в коммутирующей секции при криволинейной замедленной коммутации:

                          i = [i_a(r₂ – r₁)/ (r₂ r₁)] [∑e/ (r₂ r₁)] (27.11)

Первое слагаемое правой части полученного выражения пред­ставляет собой ток прямолинейной коммутации [см. (27.3)]

i _пр = i _а ( r ₂ – r ₁ )/ ( r ₂ r ₁ )            (27.12)

Второе слагаемое правой части выражения (27.11) определяет значение дополнительного тока коммутации, возни­кающего в контуре коммутирующей секции под действием ЭДС ∑e:

i _д = ∑ e /( r ₂ r ₁ ).                     (27-13)

Таким образом, ток в коммутирующей секции при криволиней­ной замедленной коммутации равен сумме двух составляющих:

i = i _пр i _д .                                  (27.14)

Характер изменения тока i_пр определяется графиком, показан­ным на рис. 27.2. Что же касается дополнительного тока коммута­ции i_д, то для определения характера его изменения за период коммутации необходимо предварительно выяснить, как меняются за период коммутации величины, определяющие этот ток, а имен­но ЭДС ∑e и сумма сопротивлений (r₂ r₁).

Если в машине нет добавочных полюсов и магнитная индук­ция в зоне коммутации В_к невелика, то ЭДС ∑e определяется главным образом реактивной ЭДС е_р = -(L_с М_с)(di/dt). При прямолинейном законе изменения тока di/dt = соnst, а следова­тельно, ∑e = const.

Закон изменения суммы сопротивлений (r₁ r₂) определяется выражением

r ₂ r ₁ =        (27.15)

где R — сопротивление переходного контакта «щетка—пластина», когда пластина коллектора полностью перекрыта щеткой и пло­щадь ее переходного контакта равна S_k.

В начале (t = 0) и в конце (t = T_к) коммутации r₁ r₂ = ∞; при t = 0,5 T_k Гц сумма сопротивлений r₂ r₁ = 4R. На рис. 27.4, а представлен график (r₂ r₁) = f(t). Этому закону изменения суммы сопротивлений и постоянству ЭДС ∑e соответствует кривая 1        измене­ния добавочного тока коммутации i_д = f(t)представленная на рис. 27.4, б.

Рис. 27.4. Графики измене­ний сопротивлений (r₁ r₂) и тока i_д

График изменения результирую­щего тока коммутации i = i_пр i_д = f(t), полученный сложением орди­нат графиков тока прямолинейной коммутации i_пр = f(t) (см. рис. 27.2) и добавочного тока коммутации i_д = f(t) (см. рис. 27.4, б, график 1), представ­лен на рис. 27.5. Криволинейный вид этого графика обусловлен криволинейностью графика i_д = f(t).        Физиче­ски это объясняется реактивным дей­ствием суммарной ЭДС ∑e, наводи­мой в коммутирующей секции, пре­пятствующей изменениям тока в этой секции от i_а в начале коммутации до – i_a в ее конце. По этой причине в се­редине периода коммутации (точка а) ток в коммутирующей секции i_a = i_д, т.е. он не равен нулю, как это имело место при прямолинейной коммутации (см. рис. 27.2), а равен добавочному току коммутации i_д, который в этот момент времени (t = 0,5 T_к) имеет наибольшее значение (см. рис. 27.4, б, график 1). Уменьшение тока i_a до нуля и изменение его направления наступают во второй половине перио­да коммутации в момент времени t > 0,5 Т_к (точка b), т. е. по срав­нению с прямолинейной в рассматриваемом виде коммутации процесс изменения направления тока в коммутирующей секции затягивается во времени. В итоге график коммутации приобретает криволинейный вид. По этой причине такую коммутацию называ­ют криволинейной замедленной. Характерный признак этого вида коммутации — неодинаковая плотность тока под щеткой в начале и в конце периода коммутации.

В этом можно убедиться, воспользовавшись построениями, сделанными на рис. 27.5, для момента времени t = 0,5 Т_к.

Среднее значение плотности тока под набегающим краем щетки j₂, имеющим контакт с пластиной 2 (рис. 27.6, а), меньше среднего значения плотности тока j₁ под сбегающим краем щетки, имеющим контакт с пластиной 1. С одной стороны, это объясняет­ся тем, что                  tg α₂ < tg α₁, (см. рис. 27.5), а с другой стороны, тем, что при t = 0,5 T_к токи, отходящие в обмотку якоря через пластины 1 и 2, не равны: i₂ < i₁. При криволинейной замедленной коммутации площадь S₁ соприкосновения пластины 1 с щеткой уменьшается быстрее, чем ток i₁ = i_а i_д, а поэтому плотность тока под сбе­гающим краем щетки повышается. К концу периода коммутации эта плотность тока достигает наибольшего значения j ≡ tg α^/₁, где α^/₁ соответствует t ≈ Т_к (см. рис. 27.5).

Рис. 27.5. График тока криволи­нейной замедленной коммутации

При значительных нагрузках машины плотность тока под сбе­гающим краем щетки может дос­тигнуть недопустимо больших значений и вызвать искрение на коллекторе. Однако, как показы­вает опыт, возможно появление искрения и при небольших нагру­зочных токах в цепи якоря. Это свидетельствует о том, что уве­личение плотности тока под сбе­гающим краем щетки не единст­венная причина искрения на коллекторе. Искрение возникает также при размыкании замкнутой накоротко щеткой цепи коммути­рующей секции при выходе          сбегающей пластины коллектора из-под щетки. В момент размыкания коммутирующей секции с добавочным током коммутации накоп­ленная в ней энергия магнитного поля (Дж)

W = 0,5 L_c i ²_д                   (27.16)

Рис. 27.6. Распределение плотности тока под щеткой при криво­линейной

замедленной (а) и ускоренной (б) видах коммутации

затрачивается на создание электрической дуги между сбегающим краем щетки и сбегающей коллекторной пластиной.

Изложенные выше свойства криволинейной замедленной коммутации — повышение плотности тока под сбегающим краем щетки и выход сбегающей пластины из-под щетки с разрывом цепи тока коммутации — создают условия к возникновению искре­ния на коллекторе под сбегающими краями щеток.

§ 27.4. Способы улучшения коммутации

Основная причина неудовлетворительной коммутации в ма­шинах постоянного тока — добавочный ток коммутации

i _д = ∑ e / ∑ r _к    (27.17)

Здесь ∑r_к — сумма электрических сопротивлений добавочному току коммутации i_д:

сопротивления мест пайки в петушках, пере­ходного контакта между коллекторными пластинами и щеткой и собственно щетки.

Однако из перечисленных сопротивлений, входящих в ∑r_к, наибольшее значение имеет сопротивление щетки и переходного контакта, поэтому, обозначив их r_щ, с некоторым приближением можно записать

i _д = ∑ e / r _щ             (27-18)

Из полученного выражения следует, что уменьшить ток i_д, а следовательно улучшить коммутацию, можно либо увеличением сопротивления r_щ, либо уменьшением суммарной ЭДС ∑e в ком­мутирующей секции. Отсюда вытекает ряд способов улучшения коммутации, основные из которых рассмотрены ниже.

Выбор щеток. С точки зрения обеспечения удовлетворитель­ной коммутации целесообразнее применять щетки с большим пе­реходным падением напряжения в переходном контакте и собст­венно щетке, т. е. щетке с большим сопротивлением r_щ. Однако допустимая плотность тока в щеточном контакте этих щеток неве­лика, а поэтому их применение в машинах со значительным рабо­чим током ведет к необходимости увеличения площади щеточного контакта, что требует увеличения площади коллектора за счет его длины. Это привело бы к увеличению габаритов машины и допол­нительному расходу меди. Поэтому щетки с большим r_щ приме­няют преимущественно в машинах с относительно высоким на­пряжением, а следовательно, и с небольшим рабочим током.

Щетки для электрических машин разделяют на четыре груп­пы, различающиеся составом, способом изготовления и характе­ристиками (табл. 27.1). Выбирают щетки в соответствии с реко­мендациями, выработанными на основании многолетнего опыта проектирования и эсплуатации электрических машин. Наибольшее применение в машинах постоянного тока напряжением 110 — 440 В имеют электрографитированные щетки.

Увеличению переходного сопротивления щеточного контакта, а следовательно улучшению коммутации, способствует поли­тура коллектора — тонкая оксидная пленка на поверхности коллектора, обладающая повышенным электрическим сопро­тивлением.

Уменьшение реактивной ЭДС. Существенное влияние на суммарную ЭДС в коммутирующей секции оказывает реактивная ЭДС е_р = e_l е_м. ЭДС взаимоиндукции е_м в значительной степени зависит от ширины щетки: чем шире щетка, тем большее число коллекторных пластин перекрывает она одновременно, а следова­тельно, тем больше секций одновременно коммутируется, что вы­зывает повышение ЭДС взаимоиндукции е_м. Однако слишком уз­кие щетки также нежелательны из-за недостаточной механической прочности, а также потому, что для создания необходимой площади контактной поверхности в узкой щетке

Таблица 27.1

пришлось бы увеличить ее длину, а это привело бы к необходимости увеличения длины         кол­лектора. Наиболее целесообразны щетки шириной в 2—3 коллек­торных деления.

Заметное влияние на реактивную ЭДС оказывает тип обмотки якоря. Так, если обмотку якоря выполнить с укороченным шагом (у₁ < τ), то активные стороны одновременно коммутирующих секций окажутся в разных пазах (см. рис. 27.3, б), что будет способст­вовать уменьшению ЭДС взаимоиндукции. Реактивная ЭДС может быть ослаблена уменьшением индуктивности секций L_c. Для этого следует применять в обмотке якоря секции с большим числом витков (L_c ≡ w_c) и полузакрытые пазы. Однако осуществление многих мероприятий привело бы к созданию громоздких и неэкономичных машин. Поэтому при проектировании машин постоянного тока выбор указанных параметров связывают со стремлением получить компактную и экономичную машину. При этом реактивная ЭДС может быть в значительной степени уменьшена или даже полностью устранена созданием в зоне коммутации (по оси щеток) коммутирующего поля определенной полярности и величины. Создается такое поле добавочными полюсами или сдвигом щеток геометрической нейтрали.

Добавочные полюсы. Назначение добавочных полюсов – создать в зоне коммутации магнитное поле такой величины и на­правления, чтобы наводимая этим полем в коммутирующей сек­ции ЭДС вращения е_вр компенсировала реактивную ЭДС е_р. В ма­шине постоянного тока без принятия мер по улучшению коммутации ЭДС е_р и е_вр направлены в одну сторону, т. е. дейст­вуют согласно:

∑ e = .

Суммарная ЭДС в коммутирующей секции ∑ e окажется рав­ной нулю, если посредством добавочных полюсов создать в зоне коммутации магнитное поле с магнитной индукцией В_к такой ве­личины и направления, чтобы ЭДС вращения е_вр изменила свое направление на обратное [см. (27.8)], а значение ее было бы равно ЭДС реактивной е_р. В этом случае

∑ e = .

и коммутация становится прямолинейной (идеальной).

Добавочные полюсы располагают между главными. При этом щетки устанавливают на геометрической нейтрали.

Все машины постоянного тока мощностью свыше 1 кВт снаб­жаются добавочными полюсами, число которых принимают рав­ным числу главных полюсов или же вдвое меньшим. Наличие до­бавочных полюсов позволяет увеличить линейную нагрузку машины и при заданной мощности получить машину меньшего веса и габаритов.

Число витков обмотки добавочных полюсов выбирают таким, чтобы МДС добавочных полюсов компенсировала МДС якоря по поперечной оси в зоне коммутации и имела некоторый избыток, необходимый для создания коммутирующего поля с индукцией В_к, направленного противоположно полю реакции якоря (рис. 27.7). Исходя из этого, МДС добавочного полюса для некомпенсирован­ных машин постоянного тока принимают равной (А)

F_д = k_дF_a        (27.19)

где k_д = F_д / F_а – коэффициент, учитывающий требуемое превы­шение МДС обмотки добавочного полюса F_д над МДС якоря F_а [см. (26.6)]. Для машин постоянного тока современных серий этот коэффициент принимают равным k_д = 1,20 ÷ 1,45.

Если машина снабжена компенсационной обмоткой, то МДС добавочных полюсов следует уменьшить на величину МДС ком­пенсационной обмотки F_к.о. Обычно в компенсированных маши­нах постоянного тока МДС добавочных полюсов на 15—30 % больше МДС якоря.

Если МДС добавочных полюсов сделать больше требуемого значения [см. (27.19) ], то ЭДС вращения е_вр станет больше реактивной ЭДС. В этом случае суммарная ЭДС ∑e изменит свой знак, а добавочный ток коммутации — свое направление на противоположное по сравнению с тем, какое он имел при криволи­нейной замедленной коммутации (см. рис. 27.4,6, кривая 2).

Рис. 27.7. Результирующее магнитное поле в воздушном

зазоре машины с добавочными полюсами в

генераторном (Г) и двигатель­ном (Д) режимах

График изменения результирующего тока коммутации i₂ = i_a i_д в этом случае принимает вид, представленный на рис. 27.8, т. е. коммутация становится криволинейной ускоренной, так как ток в коммутирующей секции достигает нулевого значения за время Т < 0,5 Т_к (точка b). Для криволинейной уско­ренной коммутации ха­рактерно повышение плотности тока под         на­бегающим краем щетки (см. рис. 27.6, б). Объ­ясняется это тем, что при этом виде           комму­тации площадь сопри­косновения пластины 2 с щеткой нарастает медленнее, чем       увели­чивается ток i₂ = i_a i_д. Наибольшее значение плотности тока у^/₂ ≡ tg α^/₂ соответствует началу периода коммутации (t ≈ 0). При значитель­ных нагрузках это мо­жет привести к      искре­нию под набегающим краем щетки. Это объ­ясняется тем, что при ускоренной       коммута­ции выход сбегающей пластины из-под щетки происходит с разрывом цепи добавочного тока коммутации, который имеет направление, про­тивоположное току                  за­медленной коммутации.

Для обеспечения компенсации реактивной ЭДС при различных нагрузках машины обмотку добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря. В этом случае МДС добавочных полюсов F_д при различных нагрузках машины изменяется пропорционально току якоря I_а, т. е. пропорционально МДС якоря F_а.

Рис. 27.8. График тока криволинейной уско­ренной коммутации

Полярность добавочного полюса в генераторе должна быть такой же, как и у следующего по направлению вращения главного полюса, а в двигателе — как у предшествующего полюса (рис. 27.9).

Рис. 27.9. Полярность добавочных полюсов              Рис. 27.10. График изменения ЭДС в       

 при работе машины в генераторном и                       коммутирующей секции в зависи­мости

двигательном ре­жимах                                                 от тока нагрузки

Добавочные полюсы обеспечивают удовлетворительную ком­мутацию в машине только в

пределах номинальной нагрузки.

Рис. 27.11. К понятию о потоке рассеяния

добавочных полюсов

При перегрузке машины происходит насыще­ние магнитной цепи добавочных полюсов. В этом случае реактивная ЭДС е_р изменя­ется пропорционально току нагрузки, а рост ЭДС внешнего поля из-за насыщения магнитной цепи несколько задерживается (рис. 27.10). В результате в коммутирую­щей секции появляется суммарная ЭДС ∑е = е_р – е_к, т. е. коммутация становится замедленной. Насыщению сердечников добавочных полюсов способствует          маг­нитный поток рассеяния Ф_дσ, замыкаю­щийся через сердечники смежных главных полюсов и станину (рис. 27.11). В целях уменьшения магнитного потока рассеяния, а следовательно, обеспечения более линей­ной зависимости потока добавочных полю­сов от тока нагрузки воздушный зазор до­бавочного полюса δ_д разделяют на два: один — между сердечником полюса и яко­рем δ_д1, — а другой между сердечником полюса и станиной δ_д2 (см. рис. 27.7). В

этом случае зазор δ_д2 ограничит значение потока Ф_дσ. Зазор δ_д2 создается пакетом немагнитных прокладок, закладываемых между сердечником полюса и станиной.

Получение коммутирующего поля смещением щеток. В машинах постоянного тока мощностью до 1 кВт, выполняемых без добавочных полюсов, коммутирующее поле в зоне коммутации создается смещением щеток с геометрической нейтрали. Если щетки установлены на геометрической нейтрали (рис. 27.12, а), то поперечное магнитное поле якоря с магнитной индукцией В_аq создает в зоне коммутации индукцию В_к (рис. 27.12, б). В результате в коммутирующих секциях наводится ЭДС вращения е_вр, направленная согласованно с реактивной ЭДС е_р и способствующая замедленной коммутации. При сдвиге щеток на

Рис. 27.12. Создание коммутирующего поля сдвигом щеток

физическую нейтраль mm’ комму­тирующее поле с индукцией В_к исчезает и ЭДС вращения      е_вр = 0. При этом в коммутирующих секциях наводится лишь реактивная ЭДС е_р. Если  же щетки сдвинуть на угол β, т. е. за физическую нейтраль mm’ (линия cc’), то коммутирующее поле с индукцией В’_к изменит свое направление относительно направления при положении щеток на геометрической нейтрали. Это поле будет наводить в коммутирую­щих секциях ЭДС вращения, равную реактивной ЭДС и противопо­ложную ей по направлению (е_вр – е_р = 0), т. е. реактивная ЭДС ока­жется скомпенсированной и коммутация станет прямолинейной (идеальной). Для получения необходимого эффекта щетки следует смещать в направлении вращения якоря у генераторов или против вращения якоря у двигателей.

Описанный способ улучшения коммутации имеет следующие недостатки: а) коммутирующее поле изменяется не пропорцио­нально нагрузке машины, что исключает полную компенсацию реактивной ЭДС во всем диапазоне нагрузок, так как для этого пришлось бы при каждом изменении нагрузки менять положение щеток (обычно щетки устанавливают в фиксированное положение, соответствующее полной компенсации реактивной ЭДС при но­минальной нагрузке); б) при смещении щеток с геометрической нейтрали усиливается размагничивающее действие реакции якоря (см. рис. 26.5); в) для реверсируемых машин смещение щеток с геометрической нейтрали недопустимо, так как требуемое направ­ление смещения физической нейтрали меняется с изменением на­правления вращения якоря.

При неудовлетворительной коммутации коллекторная машина становится источником радиопомех, ухудшающих качество ра­диоприема, а иногда делающих его невозможным, поэтому уро­вень индустриальных радиопомех не должен превышать значений, определяемых действующими нормами.

Радиопомехи распространяются дву­мя путями: по эфиру (электромагнитное излучение) и через электросеть. Для по­давления помех, распространяемых по эфиру, электрические машины экрани­руют. В качестве экрана используют за­земленный корпус машины. Если со сто­роны коллектора в машине имеются окна, то их следует закрыть металлическим колпаком или сеткой, обеспечив им на­дежный контакт с корпусом машины.

Рис. 27.14. Схема вклю­чения помехозащитного фильтра

Для подавления помех, проникающих от машины в сеть, применяют симметри­рование обмоток и включение фильтров. Симметрирование обмоток состоит в том, что каждую обмотку, включенную после­довательно в цепь якоря, разделяют на две равные части и присоединяют сим­метрично к щеткам разной полярности.

Применение фильтров — основной способ подавления радиопо­мех. Для большинства машин достаточно установить емкостный фильтр в виде конденсаторов, включаемых между каждым токо­несущим проводом и корпусом машины (рис. 24.14). Значение ем­кости конденсаторов подбирают опытным путем, при этом они должны быть рассчитаны на рабочее напряжение машины. Для фильтров предпочтительны проходные конденсаторы типа КБП, у которых одним из зажимов является металлическая обо­лочка, прикрепляемая непосредственно к корпусу машины.

Контрольные вопросы

1.Какие причины могут вызвать искрение на коллекторе?

2.Какие степени искрения предусмотрены ГОСТом? Дайте каждой из них ха­рактеристику и укажите условия допустимости.

3.Почему прямолинейная коммутация не сопровождается искрением?

4.Какие причины, вызывающие искрение, возникают при замедленной комму­тации?

5.Объясните назначение и устройство добавочных полюсов.

6.Каковы причины, способные вызвать круговой огонь по коллектору?
7.Как можно снизить уровень радиопомех в коллекторной машине?

Глава 28

Коллекторные генераторы постоянного тока

Основные понятия

В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС  [см. (25.20)]. При подключении к генератору нагрузки в цепи яко­ря возникает ток, а на выводах генератора устанав­ливается напряжение, определяемое уравнением на­пряжений для цепи якоря генератора:

                                               .                             (28.1)

Здесь

                                                                (28.2)

— сумма сопротивлений всех участков цепи якоря: обмотки якоря , обмотки добавочных полюсов , компенсационной обмотки , последовательной обмотки возбуждения  и переходного щеточного контакта .

При отсутствии в машине каких-либо из указан­ных обмоток в (28.2) не входят соответствующие слагаемые.

Якорь генератора приводится во вращение при­водным двигателем, который создает на валу гене­ратора вращающий момент . Если генератор ра­ботает в режиме х.х. , то для вращения его якоря нужен сравнительно небольшой момент холо­стого хода . Этот момент обусловлен тормозными моментами, возникающими в генераторе при его работе в режиме х.х.: моментами от сил трения и вихревых токов в якоре.

При работе нагруженного генератора в проводах обмотки якоря появляется ток, который, взаимодей­ствуя с магнитным полем возбуждения, создает на якоре электромагнитный момент М [см. (25.24)]. В генераторе этот момент направлен встречно вра­щающему моменту приводного двигателя ПД (рис. 28.1), т. е. он является нагрузочным (тормозящим).

Рис. 28.1. Моменты, действующие в генераторе постоянного тока

При неизменной частоте вращения  вра­щающий момент приводного двигателя  уравнове­шивается суммой противодействующих моментов: мо­ментом х.х.  и электромагнитным моментом М, т. е.

                                               .                          (28.3)

Выражение (28.3) — уравнение моментов для генератора при . Умножив члены уравнения (28.3) на угловую скорость вращения якоря , получим уравнение мощностей:

                                         ,                          (28.4)

где  — подводимая от приводного двигателя к генератору мощность (меха­ническая);  —мощ­ность х.х., т. е. мощность, подводимая к генератору в режиме х.х. (при отключен­ной нагрузке);  — электромагнитная мощность генератора.

Согласно (25.27), получим

                                                     ,

или с учетом (28.1)

                                           ,                           (28.5)

где  — полезная мощность генератора (электрическая), т. е. мощ­ность, отдаваемая генератором нагрузке;  — мощность потерь на нагрев обмоток и щеточного контакта в цепи якоря (см. § 29.8).

Учитывая потери на возбуждение генератора ,получим уравнение мощностей для генератора постоянного тока:

                                         .                                    (28.6)

Следовательно, механическая мощность, развиваемая приво дным двигателем , преобразуется в генераторе в полезную электрическую мощность , передаваемую нагрузке, и мощ­ ность, затрачиваемую на покрытие потерь .

Так как генераторы обычно работают при неизменной частоте вращения, то их характеристики рассматривают при условии . Рассмотрим основные характеристики генераторов посто­янного тока.

Характеристика холостого хода — зависимость напряжения на выходе генератора в режиме х.х.  от тока возбуждения :

 при  и .

Нагрузочная характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U при работе с нагрузкой от тока возбу­ждения :

 при  и .

Внешняя характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U от тока нагрузки :

при  и ,

где  — регулировочное сопротивление в цепи обмотки возбуж­дения.

Регулировочная характеристика — зависимость тока возбуж­дения  от тока нагрузки  при неизменном напряжении на выходе генератора:

 при  и .

Вид перечисленных характеристик определяет рабочие свой­ства генераторов постоянного тока.

Принцип самовозбуждения генератора постоянного тока ос­нован на том, что магнитная система машины, будучи намагни­ченной, сохраняет длительное время небольшой магнитный поток остаточного магнетизма сердечников полюсов и станины  (по­рядка 2—3% от полного потока). При вращении якоря поток

Рис. 28.5. Принципиальная схема (а) и характеристика х.х. (б) генератора параллельного возбуждения

индуцирует в якорной обмотке ЭДС ,под действием которой в обмотке возбуждения возникает небольшой ток . Если МДС обмотки возбуждения  имеет такое же направление, как и поток , то она увеличивает поток главных полюсов. Это, в свою очередь, вызывает увеличение ЭДС генератора, отчего ток возбуждения вновь увеличится. Так будет продолжаться до тех пор, пока напряжение генератора не будет уравновешено падени­ем напряжения в цепи возбуждения, т. е. .

На рис. 28.5, а показана схема включения генератора парал­лельного возбуждения, на рис. 28.5, б — характеристика х.х. гене­ратора (кривая 1) и зависимость падения напряжения от тока воз­буждения  (прямая 2). Точка пересечения А соответствует окончанию процесса самовозбуждения, так как именно в ней .

Угол наклона прямой ОА к оси абсцисс определяется из тре­угольника ОАВ:

                                              ,                                  (28.10)

где  — масштаб тока (по оси абсцисс), А/мм;  — масштаб на­пряжения (по оси ординат), В/мм.

Из (28.10) следует, что угол наклона прямой  к оси абсцисс прямо пропорционален сопротивлению цепи возбужде­ния. Однако при некотором значении сопротивления реостата  сопротивление , достигает значения, при котором зависимость  становится касательной к прямолинейной части ха­рактеристики х.х. (прямая 3). В этих условиях генератор не самовозбуждается. Сопротивление цепи возбуждения, при которой прекращается самовозбуждение генератора, называют критиче­ ским сопротивлением, .

Следует отметить, что самовозбуж­дение генератора возможно лишь при частоте вращения, превышающей крити­ческую . Это условие вытекает из ха­ рактеристики самовозбуждения гене­ ратора (рис. 28.6), представляющей собой зависимость напряжения генера­тора в режиме х.х. от частоты враще­ния при неизменном сопротивлении цепи возбуждения, т. е.  при .

Рис. 28.6. Характеристика самовозбуждения

Анализ характеристики самовозбуж­дения показывает, что при  увели­чение частоты вращения якоря генератора сопровождается незна­чительным увеличением напряжения, так как процесса самовоз­буждения нет и появление напряжения на выходе генератора обу­словлено лишь остаточным намагничиванием магнитной цепи генератора. Процесс самовозбуждения начинается при . В этом случае увеличение частоты вращения сопровождается резким ростом напряжения . Однако при частоте вращения, близкой к номинальной, рост напряжения несколько замедляется, что объяс­няется магнитным насыщением генератора. Критическая частота вращения зависит от сопротивления цепи возбуждения и с ростом последнего увеличивается.

Таким образом, самовозбуждение генераторов постоянного тока возможно при соблюдении следующих условий: а) магнитная система машины должна обладать остаточным магнетизмом; б) присоединение обмотки возбуждения должно быть таким, что­бы МДС обмотки совпадала по направлению с потоком остаточ­ного магнетизма ; в) сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического; г) частота вращения якоря должна быть больше критической.

Так как генератор параллельного возбуждения самовозбуждается лишь в одном направлении, то и характеристика х.х. этого генератора может быть снята только для одного квадранта осей координат.

Нагрузочная и регулировочная характеристики генератора па­раллельного возбуждения практически не отличаются от соответ­ствующих характеристик генератора независимого возбуждения.

Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения 1 (рис. 28.7) менее жесткая, чем у генератора независимого возбуждения. Объясняется это тем, что в генераторе параллельно­го возбуждения помимо причин, вызывающих уменьшение на­пряжения в генераторе независимого возбуждения (реакция якоря и падение напряжения в цепи якоря), действует еще и третья при­чина — уменьшение тока возбуждения, вызванное снижением на­пряжения от действия первых двух причин. Этим же объясняется и то, что при постепенном уменьшении сопротивления нагрузки  ток увеличивается лишь до критического значе­ния , а затем при дальней­шем уменьшении сопротив­ления нагрузки ток начинает уменьшаться. Наконец, ток нагрузки при коротком замы­кании . Дело в том, что с увеличением тока усилива­ется размагничивание генера­тора (усиление реакции якоря и уменьшение тока возбуж­дения), машина переходит в ненасыщенное состояние, при котором даже небольшое уменьшение сопротивления нагрузки вызывает резкое уменьшение ЭДС машины (см. рис. 28.5, б). Так как ток определяется напряжением на выводах генератора  и сопротивлением нагрузки , т. е. ,то при токах нагруз­ки , когда напряжение генератора уменьшается медлен­нее, чем убывает сопротивление нагрузки, происходит рост то­ка нагрузки. После того как , дальнейшее уменьшение  сопровождается уменьшением тока нагрузки, так как в этом случае напряжение  убывает быстрее, чем уменьшается со­противление нагрузки .

Рис. 28.7. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения

Таким образом, короткое замыкание, вызванное медленным уменьшением сопротивления нагрузки, не опасно для генератора параллельного возбуждения. Но при внезапном к.з. магнитная сис­тема генератора не успевает размагнититься и ток  достигает опасных для машины значений  (кривая 2). При та­ком резком возрастании тока нагрузки на валу генератора возни­кает значительный тормозящий момент [см. (25.24)], а на коллек­торе появляется сильное искрение, переходящее в круговой огонь. Поэтому необходимо защищать генератор от перегрузки и к.з. по­средством плавких предохранителей или же применением релей­ной защиты.

 Генераторы параллельного возбуждения широко применяют в установках постоянного тока, так как отсутствие возбудителя вы­годно отличает эти генераторы от генераторов независимого воз­буждения. Номинальное изменение напряжения генератора парал­лельного возбуждения [см. (28.9)] составляет 10—30%.

Генератор смешанного возбуждения (рис. 28.8, а) имеет па­раллельную и последовательную обмотки возбуждения. Поток возбуждения создается в основном параллельной обмоткой. По­следовательная обмотка обычно включается согласно с парал­лельной (чтобы МДС обмоток складывались), что обеспечивает получение жесткой внешней характеристики генератора.

Рис. 28.8. Схема включения генера­тора смешанного возбуждения (а)и его внешние характеристики (б)

В режиме х.х. генератор имеет только параллельное возбуждение, так как . С появлением нагрузки возника­ет МДС последовательной об­мотки возбуждения, которая, подмагничивая машину, ком­пенсирует размагничивающее действие реакции якоря и па­дение напряжения в якоре.

Внешняя характеристика в этом случае становится наибо­лее жесткой (рис. 28.8, б, кри­вая 2), т. е. напряжение на за­жимах генератора при увели­чении тока остается почти не­изменным. Если же требуется, чтобы напряжение на зажимах потребителя (в конце линии) оставалось практически неизменным, то число витков последовательной обмотки увеличивают так, чтобы МДС этой обмотки компенсировала еще и падение на­пряжения в проводах линии (кривая /).

При встречном включении обмоток возбуждения напряже­ние генератора с ростом тока нагрузки резко уменьшается (кривая 3), что объясняется размагничивающим действием последовательной обмотки возбуждения, МДС которой направлена против МДС парал­лельной обмотки. Встречное включение обмоток применяют лишь в генераторах специального назначения, например в сварочных, где необходимо получить круто падающую внешнюю характеристику.

Генераторы смешанного возбуждения с согласным включени­ем обмоток возбуждения применяют для питания силовой нагруз­ки в случаях, когда требуется постоянство напряжения в линии.

Контрольные вопросы

1. Какие характеристики определяют свойства генераторов постоянного тока?

2. Почему у генератора параллельного возбуждения изменение напряжения при
сбросе нагрузки больше, чем у генератора независимого возбуждения?

3. Каковы условия самовозбуждения генераторов постоянного тока?

4. При каком включении обмоток возбуждения генератора смешанного возбуждения внешняя характеристика получается более «жесткой»?

Глава 29

Основные понятия

Коллекторные машины обладают свойством об­ратимости, т. е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Поэтому если машину постоянного тока подключить к источнику энергии постоянного тока, то в обмотке возбужде­ния и в обмотке якоря машины появятся токи. Взаи­модействие тока якоря с полем возбуждения создает на якоре электромагнитный момент М, который яв­ляется не тормозящим, как это имело место в гене­раторе, а вращающим.

Под действием электромагнитного момента яко­ря машина начнет вращаться, т. е. машина будет ра­ботать в режиме двигателя, потребляя из сети элек­трическую энергию и преобразуя ее в механичес­кую. В процессе работы двигателя его якорь враща­ется в магнитном поле. В обмотке якоря индуциру­ется ЭДС ,направление которой можно опреде­лить по правилу «правой руки». По своей природе она не отличается от ЭДС, наводимой в обмотке якоря генератора. В двигателе же ЭДС направлена против тока , и поэтому ее называют противо электродвижущей силой (противо-ЭДС) якоря (рис. 29.1).

Рис. 29.1. Направление проти­во-ЭДС в обмотке якоря двига­теля

Для двигателя, работающего с постоянной час­тотой вращения,

                                          .                                      (29.1)

Из (29.1) следует, что подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмот­ки якоря и падением напряжения в цепи якоря. На основании (29.1) ток якоря

                                              .                                             (29.2)

Умножив обе части уравнения (29.1) на ток яко­ря , получим уравнение мощности для цепи якоря:

                                         ,                           (29.3)

где  — мощность в цепи обмотки якоря;  — мощность электрических потерь в цепи якоря.

Для выяснения сущности выражения  проделаем следую­щее преобразование:

                                  ,

или

                                                     .
Но, согласно (25.24),

тогда

                                                     ,                            (29.4)

где  — угловая частота вращения якоря;  — электромаг­нитная мощность двигателя.

Следовательно, выражение  представляет собой электромаг­ нитную мощность двигателя.

Преобразовав выражение (29.3) с учетом (29.4), получим

                                                        .

Анализ этого уравнения показывает, что с увеличением на­грузки на вал двигателя, т. е. с увеличением электромагнитного момента М, возрастает мощность в цепи обмотки якоря , т. е. мощность на входе двигателя. Но так как напряжение, подводимое к двигателю, поддерживается неизменным , то увеличе­ние нагрузки двигателя сопровождается ростом тока в обмотке якоря .

В зависимости от способа возбуждения двигатели постоянного тока, так же как и генераторы, разделяют на двигатели с возбуждени­ем от постоянных магнитов (магнитоэлектрические) и с электромаг­нитным возбуждением. Последние в соответствии со схемой включе­ния обмотки возбуждения относительно обмотки якоря подразделяют на двигатели параллельного (шунтовые), последовательного (сериесные) и смешанного (компаундные) возбуждения.

В соответствии с формулой ЭДС  частота вращения двигателя (об/мин)

                                                            .

Подставив значение  из (29.1), получим (об/мин)

                                                         ,                                (29.5)

т. е. частота вращения двигателя прямо пропорциональна на­пряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку воз­буждения. Физически это объясняется тем, что повышение на­пряжения U или уменьшение потока Ф вызывает увеличение разности ; это, в свою очередь, ведет к росту тока  [см. (29.2)]. Вследствие этого возросший ток повышает вращающий момент, и если при этом нагрузочный момент остается неизмен­ным, то частота вращения двигателя увеличивается.

Из (29.5) следует, что регулировать частоту вращения двига­теля можно изменением либо напряжения U , подводимого к дви­гателю, либо основного магнитного потока Ф, либо электрическо­го сопротивления в цепи якоря .

Направление вращения якоря зависит от направлений магнит­ного потока возбуждения Ф и тока в обмотке якоря. Поэтому, из­менив направление какой-либо из указанных величин, можно из­менить направление вращения якоря. Следует иметь в виду, что переключение общих зажимов схемы у рубильника не дает изме­нения направления вращения якоря, так как при этом одновремен­но изменяется направление тока и в обмотке якоря, и в обмотке возбуждения.

Пуск двигателя

Ток якоря двигателя определяется формулой (29.2). Если при­нять U и  неизменными, то ток  зависит от противо-ЭДС . Наибольшего значения ток  достигает при пуске двигателя в ход. В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен  и в его обмотке не индуцируется ЭДС . Поэтому при непо­средственном подключении двигателя к сети в обмотке его якоря возникает пусковой ток

                                                     .                                            (29.6)

Обычно сопротивление  невелико, поэтому значение пус­кового тока достигает недопустимо больших значений, в 10—20 раз превышающих номинальный ток двигателя.

Такой большой пусковой ток весьма опасен для двигателя. Во-первых, он может вызвать в машине круговой огонь, а во-вторых, при таком токе в двигателе развивается чрезмерно большой пус­ковой момент, который оказывает ударное действие на вращаю­щиеся части двигателя и может механически их разрушить. И на­конец, этот ток вызывает резкое падение напряжения в сети, что неблагоприятно отражается на работе других потребителей, вклю­ченных в эту сеть. Поэтому пуск двигателя непосредственным подключением в сеть (безреостатный пуск) обычно применяют для двигателей мощностью не более 0,7—1,0 кВт. В этих двигате­лях благодаря повышенному сопротивлению обмотки якоря и не­большим вращающимся массам значение пускового тока лишь в 3—5 раз превышает номинальный, что не представляет опасности для двигателя. Что же касается двигателей большей мощности, то при их пуске для ограничения пускового тока используют пуско­вые реостаты (ПР), включаемые последовательно в цепь якоря (реостатный пуск).

Перед пуском двигателя необходимо рычаг Р реостата поста­вить на холостой контакт О (рис. 29.2). Затем включают рубиль­ник, переводят рычаг на первый промежуточный контакт 1 и цепь якоря двигателя оказывается подключенной к сети через наиболь­шее сопротивление реостата .

Рис. 29.2. Схема включения пускового реостата

Одновременно через рычаг Р и шину Ш к сети подключается обмотка возбуждения, ток в которой в течение всего периода пус­ка не зависит от положения рычага Р, так как сопротивление ши­ны по сравнению с сопротивлением обмотки возбуждения пренеб­режимо мало.

Пусковой ток якоря при полном сопротивлении пускового реостата

                                               .                           (29.7)

С появлением тока в цепи якоря  возникает пусковой мо­мент , под действием которого начинается вращение якоря. По мере нарастания частоты вращения увеличивается противо-ЭДС , что ведет к уменьшению пускового тока и пуско­вого момента.

По мере разгона якоря двигателя рычаг пускового реостата переключают в положения 2, 3 и т. д. В положении 5 рычага рео­стата пуск двигателя заканчивается . Сопротивление пус­кового реостата выбирают обычно таким, чтобы наибольший пус­ковой ток превышал номинальный не более чем в 2—3 раза.

Так как вращающий момент двигателя М прямо пропорциона­лен потоку Ф [см. (25.24)], то для облегчения пуска двигателя па­раллельного и смешанного возбуждения сопротивление реостата в цепи возбуждения  следует полностью вывести . Поток возбуждения Ф в этом случае получает наибольшее значение и двигатель развивает необходимый вращающий момент при мень­шем токе якоря.

Для пуска двигателей большей мощности применять пусковые реостаты нецелесообразно, так как это вызвало бы значительные потери энергии. Кроме того, пусковые реостаты были бы громозд­кими. Поэтому в двигателях большой мощности применяют без­реостатный пуск двигателя путем понижения напряжения. Приме­рами этого являются пуск тяговых двигателей электровоза переключением их с последовательного соединения при пуске на параллельное при нормальной работе (см. § 29.6) или пуск двига­теля в схеме «генератор—двигатель» (см. § 29.4).

Схема включения в сеть двигателя параллельного возбужде­ния показана на рис. 29.3, а. Характерной особенностью этого двигателя является то, что ток в обмотке возбуждения (ОВ) не за­висит от тока нагрузки (тока якоря). Реостат в цепи возбуждения  служит для регулирования тока в обмотке возбуждения и маг­нитного потока главных полюсов.

Эксплуатационные свойства двигателя определяются его ра­ бочими характеристиками, под которыми понимают зависимость частоты вращения n, тока I, полезного момента M ₂, вращающего момента M от мощности на валу двигателя Р₂при  и  (рис. 29.3, 6).

Для анализа зависимости и , которую обычно называ­ют скоростной характеристикой, обратимся к формуле (29.5), из которой видно, что при неизменном напряжении U на частоту вращения влияют два фактора: падение напряжения в цепи якоря  и поток возбуждения Ф. При увеличении нагрузки умень­шается числитель , при этом вследствие реакции якоря уменьшается и знаменатель Ф. Обычно ослабление потока, вы­званное реакцией якоря, невелико и первый фактор влияет на час­тоту вращения сильнее, чем второй. В итоге частота вращения двигателя с ростом нагрузки Р₂уменьшается, а график  приобретает падающий вид с небольшой выпуклостью, обращен­ной к оси абсцисс. Если же реакция якоря в двигателе сопровож­дается более значительным ослаблением потока Ф, то частота вращения с увеличением нагрузки будет возрастать, как это пока­зано штриховой кривой на рис. 29.3, б. Однако такая зависимость  является нежелательной, так как она, как правило, не удовлетворяет условию устойчивой работы двигателя: с ростом нагрузки на двигатель возрастает частота вращения, что ведет к дополнительному росту нагрузки и т. д., т. е. частота вращения n двигателя неограниченно увеличивается и двигатель идет «в разнос». Чтобы обеспечить характеристике частоты вращения форму падающей кривой, в некоторых двигателях параллельного возбу­ждения применяют легкую (с небольшим числом витков) последо­вательную обмотку возбуждения, которую называют стаби­лизирующей обмоткой. При включении этой обмотки согласованно с параллельной обмоткой возбуждения ее МДС компенсирует размагничивающее действие реакции якоря так, что поток Ф во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменным.

Рис. 29.3. Схема двигателя параллельного возбуждения ( )

 и его рабочие характеристики ( )

Изменение частоты вращения двигателя при переходе от но­минальной нагрузки к х.х., выраженное в процентах, называют номинальным изменением частоты вращения:

                                            ,                               (29.8)

где  — частота вращения двигателя в режиме х.х.

Обычно для двигателей параллельного возбуждения , поэтому характеристику частоты вращения двигателя па­раллельного возбуждения называют жесткой.

Зависимость полезного момента  от нагрузки установлена формулой . При  график  имел бы вид прямой. Однако с увеличением нагрузки частота вращения двига­теля снижается, и поэтому зависимость  криволинейна.

При  вращающий момент двигателя . Так как рабочие характеристики двигателя строят при условии , что обеспечивает постоянство магнитных потерь в двига­теле, то момент х.х. . Поэтому график зависимости  проходит параллельно кривой  Если принять по­ток , то график  является в то же время выраже­нием зависимости ,так как .

Для получения аналитического выражения механической ха­ рактеристики  преобразуем выражение (29.5):

                                 ;                         (29.9)

подставив в него из (25.24) значение тока якоря

                                          ,                            (29.10)

получим

                                    ,                 (29.11)

где — частота вращения в режиме х.х.;  — изменение часто­ты вращения, вызванное изменением нагрузки на валу двигателя.

Рис. 29.4. Механические характеристики двигателя параллельно­го возбуждения:

а — при введении в цепь якоря добавочного сопротивления;

 б — при изменении основного магнитного потока;

в — при изменении напряже­ния в цепи якоря

Если пренебречь реакцией якоря, то (так как ) можно принять . Тогда механическая характеристика двигателя па­раллельного возбуждения представляет собой прямую линию, не­сколько наклоненную к оси абсцисс (рис. 29.4, а). Угол наклона меха­нической характеристики тем больше, чем больше значение сопротивления, включенного в цепь якоря. Механическую характери­стику двигателя при отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря называют естественной (прямая 1). Механические харак­теристики двигателя, полученные при введении дополнительного со­противления в цепь якоря, называют искусственными (прямые 2 и 3).

Вид механической характеристики зависит также и от значе­ния основного магнитного потока Ф. Так, при уменьшении Ф уве­личивается частота вращения х.х.  и одновременно увеличивает­ся , т. е. увеличиваются оба слагаемых уравнения (29.11). Это приводит к резкому увеличению наклона механической характе­ристики, т. е. к уменьшению ее жесткости (рис. 29.4, б).

При изменении напряжения на якоре U меняется частота вра­щения , а   остается неизменной. В итоге жесткость механиче­ской характеристики (если пренебречь влиянием реакции якоря) не меняется (рис. 29.4, в), т. е. характеристики смещаются по вы­соте, оставаясь параллельными друг другу.

Способы регулирования частоты вращения двигателей оцени­ваются следующими показателями: плавностью регулирования; диапазоном регулирования, определяемым отношением наиболь­шей частоты вращения к наименьшей; экономичностью регулиро­вания, определяемой стоимостью регулирующей аппаратуры и потерями электроэнергии в ней.

Из (29.5) следует, что регулировать частоту вращения двига­теля параллельного возбуждения можно изменением сопротивле­ния в цепи якоря, изменением основного магнитного потока Ф, изменением напряжения в цепи якоря.

Введение дополнительного сопротивления в цепь якоря. Дополнительное сопротивление (реостат  ) включают в цепь яко­ря аналогично пусковому реостату (ПР). Однако в отличие от по­следнего оно должно быть рассчитано на продолжительное проте­кание тока.

При включении сопротивления  в цепь якоря выражение частоты (29.5) принимает вид

                                     ,                      (29.12)

где  — частота вращения в режиме х.х.;

 — изменение частоты вращения, вызван­ное падением напряжения в цепи якоря.

С увеличением  возрастает , что ведет к уменьшению час­тоты вращения. Зависимость  иллюстрируется также и механическими характеристиками двигателя параллельного воз­буждения (рис. 29.4, а): с повышением  увеличивается наклон механических характеристик, а частота вращения при заданной нагрузке на валу  уменьшается. Этот способ обеспечи­вает плавное регулирование частоты вращения в широком диапа­зоне (только в сторону уменьшения частоты от номинальной), од­нако он неэкономичен из-за значительных потерь электроэнергии в регулировочном реостате , которые интенсивно растут с увеличением мощности двигателя.

Изменение основного магнитного потока. Этот способ ре­гулирования в двигателе параллельного возбуждения реализуется посредством реостата  в цепи обмотки возбуждения (см. рис. 29.3, а). Так, при уменьшении сопротивления реостата возрастает магнитный поток обмотки возбуждения, что сопровождается по­нижением частоты вращения [см. (29.5)]. При увеличении  час­тота вращения растет. Зависимость частоты вращения от тока воз­буждения выражается регулировочной характеристикой двигателя при  и .

Из выражения (29.5) следует, что с уменьшением магнитного потока Ф частота вращения  увеличивается по гиперболическому закону (рис. 29.5, ). Но одновременно уменьшение Ф ведет к рос­ту тока якоря . При потоке  ток якоря дости­гает значения ,т. е. падение напряжения в цепи яко­ря достигает значения, равного половине напряжения, подведенного к якорю . В этих условиях частота вращения двигателя достигает максимума . При дальнейшем уменьшении потока  частота вращения двигателя начинает убывать, так как из-за интенсивного роста тока  второе слагаемое выражения (29.9) нарастает быстрее первого.

При небольшом нагрузочном моменте на валу двигателя мак­симальная частота вращения  во много раз превосходит номи­нальную частоту вращения двигателя  и является недопусти­мой по условиям механической прочности двигателя, т. е. может привести к его «разносу». Учитывая это, при выборе реостата   необходимо следить за тем, чтобы при полностью введенном его сопротивлении частота вращения двигателя не превысила допус­тимого значения.

Например, для двигателей серии 2П (см. § 29.9) допускается превышение частоты вращения над номинальной не более чем в 2—3 раза. Необходимо также следить за надежностью электриче­ских соединений в цепи обмотки возбуждения двигателя, так как при разрыве этой цепи магнитный поток уменьшается до значения потока остаточного магнетизма , при котором частота враще­ния может достигнуть опасного значения.

Вид регулировочных характеристик  зависит от значе­ния нагрузочного момента  на валу двигателя: с ростом  мак­симальная частота вращения  уменьшается (рис. 29.5, б).

Рис. 29.5. Регулировочные характеристики двигателя парал­лельного возбуждения

Недостаток рассмотренного способа регулирования частоты вращения состоит в том, что при изменении магнитного потока Ф меняется угол наклона механической характеристики двигателя.

Рассмотренный способ регулирования частоты вращения прост и экономичен, так как в двигателях параллельного возбуж­дения ток , а поэтому потери в регулировочном реостате  невелики.

Однако диапазон регулирования обычно составляет . Объясняется это тем, что нижний предел частоты вращения обусловлен насыщением машины, ограничивающим значение магнитного потока Ф, а верхний предел частоты опасностью «разноса» двигателя и усилением влияния реакции якоря, иска­жающее действие которого при ослаблении основною магнитного потока Ф усиливается и ведет к искрению на коллекторе или же к появлению кругового огня (см. § 27.5).

Изменение напряжения в цепи якоря. Регулирование часто­ты вращения двигателя изменением питающего напряжения при­меняется лишь при , т. е. при раздельном питании цепей обмотки якоря и обмотки возбуждения при независимом возбуж­дении.

Частота вращения в режиме х.х.  пропорциональна напря­жению, а  от напряжения не зависит [см. (29.1 1)], поэтому ме­ханические характеристики двигателя при изменении напряжения не меняют угла наклона к оси абсцисс, а смещаются по высоте, оставаясь параллельными друг другу (см. рис. 29.4, в). Для осуще­ствления этого способа регулирования необходимо цепь якоря двигателя подключить к источнику питания с регулируемым на­пряжением. Для управления двигателями малой и средней мощно­сти в качестве такого источника можно применить регулируемый выпрямитель, в котором напряжение постоянного тока меняется регулировочным автотрансформатором (АТ), включенным на вхо­де выпрямителя (рис. 29.6, ).

Для управления двигателями большой мощности целесооб­разно применять генератор постоянного тока независимого возбу­ждения; привод осуществляется посредством приводного двигате­ля (ПД), в качестве которого обычно используют трехфазный двигатель переменного тока. Для питания постоянным током це­пей возбуждения генератора Г и двигателя Д используется возбу­дитель В — генератор постоянного тока, напряжение на выходе которого поддерживается неизменным. Описанная схема управле­ния двигателем постоянного тока (рис. 29.6, б)известна под на­званием системы «генератор — двигатель» (Г—Д).

Рис. 29.6. Схемы включения двигателей постоянного тока при регули­ровании частоты вращения изменением напряжения в цепи якоря

Изменение напряжения в цепи якоря позволяет регулировать частоту вращения двигателя вниз от номинальной, так как напря­жение свыше номинального недопустимо. При необходимости регулировать частоту вращения вверх от номинальной можно вос­пользоваться изменением тока возбуждения двигателя.

Изменение направления вращения (реверс) двигателя, рабо­тающего по системе Г—Д, осуществляется изменением направле­ния тока в цепи возбуждения генератора Г переключателем П, т. е. переменой полярности напряжения на его зажимах. Если двигатель постоянного тока работает в условиях резко переменной на­грузки, то для смягчения колебаний мощности, потребляемой ПД из трехфазной сети, на вал ПД помещают маховик М, который за­пасает энергию в период уменьшения нагрузки на двигатель Д и отдает ее в период интенсивной нагрузки двигателя.

Регулирование частоты вращения изменением напряжения в цепи якоря обеспечивает плавное экономичное регулирование в широком диапазоне . Наибольшая частота вращения здесь ограничивается условиями коммутации, а наименьшая — условиями охлаждения двигателя (см. § 31.3).

Еще одним достоинством рассматриваемого способа регули­рования является то, что он допускает безреостатный пуск двига­теля при пониженном напряжении.

Импульсное регулирование частоты вращения. Сущность этого способа регулирования иллюстрируется схемой, изображен­ной на рис. 29.7, а. Цепь обмотки якоря двигателя параллельного (независимого) возбуждения периодически прерывается ключом К. Во время замыкания цепи якоря на время  к обмотке якоря подводится напряжение  и ток в ней достигает значения . Затем ключом К цепь якоря размыкают и ток в ней убывает, достигая к моменту следующего замыкания цепи значения  (при размыкании ключа К ток в обмотке якоря замыкается через диод VD). При следующем замыкании ключа К ток достигает зна­чения  и т. д. Таким образом, к обмотке якоря подводится не­которое среднее напряжение

                                                     ,                               (29.13)

где Т– отрезок времени между двумя следующими друг за дру­гом импульсами напряжения (рис. 29.7, б);  — коэффици­ент управления.

При этом в обмотке якоря проходит ток, среднее значение ко­торого .

При импульсном регулировании частота вращения двигателя

                                         .                                              (29.14)

Таким образом, импульсное регулирование частоты вращения аналогично регулированию изменением подводимого к цепи якоря напряжения. С целью уменьшения пульсаций тока в цепи якоря включена катушка индуктивности (дроссель) , а частота подачи импульсов равна 200—400 Гц.

На рис. 29.7, в представлена одна из возможных схем им­пульсного регулирования, где в качестве ключа применен управ­ляемый диод — тиристор VS . Открывается тиристор подачей крат­ковременного импульса от генератора импульсов (ГИ) на управляющий электрод (УЭ) тиристора. Цепь ,шунтирующая тиристор, служит для запирания последнего в период между двумя управляющими импульсами. Происходит это следующим образом: при открывании тиристора конденсатор С перезаряжается через контур  и создает на силовых электродах тиристора напряже­ние, обратное напряжению сети, которое прекращает протекание тока через тиристор. Параметрами цепи  определяется время (с) открытого состояния тиристора: . Здесь  выража­ется в генри (Гн); С — в фарадах (Ф).

Рис. 29.7. Импульсное регулирование частоты вращения двига­теля постоянного тока

Значение среднего напряжения  регулируется изменением частоты следования управляющих импульсов от генератора им­пульсов на тиристор VS .

Жесткие механические характеристики и возможность плав­ного регулирования частоты вращения в широком диапазоне оп­ределили области применения двигателей параллельного возбуж­дения в станочных приводах, вентиляторах, а также во многих других случаях регулируемого электропривода, где требуется ус­тойчивая работа при колебаниях нагрузки.

В двигателях параллельного возбуждения при неизменном то­ке в обмотке возбуждения  магнитный поток изменяется при нагрузке весьма незначительно, поэтому с некоторым при­ближением можно принять . В этом случае электромаг­нитный момент [см. (25.24)] пропорционален току в цепи якоря и механическая характеристика  может быть представлена зависимостью  (рис. 29.8). Если эту характеристику про­должить в обе стороны за пределы осей координат (прямая 1), то можно показать, что электрическая машина в зависимости от ве­личины и знака внешнего момента, действующего на ее вал со стороны связанного с ним механизма, может работать в трех ре­жимах: двигательном, тормозном и генераторном.

При работе двигателя без нагрузки ток в цепи якоря  не­большой. При этом частота вращения  (точка А). Затем с по­явлением на валу двигателя нагрузочного момента, противодейст­вующего вращающему, ток в цепи якоря возрастает, а частота вращения уменьшается. Если увеличить противодействующий момент до значения, при котором якорь двигателя остановится (точка В), то ЭДС  и ток двигателя достигает значения . Если двигатель применяют для привода механизма, на­грузочный момент которого может быть больше вращающегося (например, привод барабана, на который наматывается трос с гру­зом), то при последующем увеличении нагрузочного момента это­го механизма якорь машины вновь начнет вращаться, но теперь уже в другую сторону. Теперь момент, действующий на вал элек­трической машины со стороны нагрузочного механизма, будет вращающим, а электромагнитный момент машины — тормозя­щим, т. е. электрическая машина перейдет в тормозной ре­жим. При работе машины в этом режиме ЭДС якоря действует согласованно с напряжением, т. е. .

При использовании машины в тормозном режиме необходимо принять меры для ограничения тока якоря. С этой целью в цепь якоря включают добавочное сопротивление, величина которого обеспечивает получение искусственной характеристики двигателя, пересекающейся с осью абсцисс при токе якоря  (штрихо­вая прямая).

Если при работе двигателя в режиме х.х. к его валу приложить момент, направленный в сторону вращения якоря, то частота вра­щения, а следовательно, и ЭДС  начнут возрастать. Когда ЭДС , машина не будет потреблять тока из сети (точка С) и час­тота вращения якоря достигает значения, называемого погранич­ ной частотой вращения

Рис. 29.8. Режимы работы машины постоянного тока:

 1 — с параллельным (независимым) возбуждением;

2 — со смешанным возбуждением;

3 — с последовательным возбуж­дением

При дальнейшем увеличении внешнего момента на валу ма­шины ЭДС  станет больше напряжения, а в цепи якоря опять возникает ток, но другого направления. При этом машина перей­дет в генераторный режим: механическая энергия, затрачи­ваемая на вращение якоря, будет преобразовываться в электриче­скую и поступать в сеть.

Перевод машины из двигательного в генераторный режим ис­пользуют для торможения двигателя, так как в генераторном ре­жиме электромагнитный момент является тормозящим (рекупера­тивное торможение).

В этом двигателе обмотка возбуждения включена последова­тельно в цепь якоря (рис. 29.9, а), поэтому магнитный поток Ф в нем зависит от тока нагрузки . При небольших нагрузках магнитная система машины не насыщена и зависимость магнитно­го потока от тока нагрузки прямо пропорциональна, т. е. . В этом случае найдем по (25.24) электромагнитный момент:

Формула частоты вращения (29.5) примет вид

                                           .                                    (29.15)

Здесь  — коэффициент пропорциональности.

На рис. 29.9, б представлены рабочие характеристики  и  двигателя последовательного возбуждения. При больших нагрузках наступает насыщение магнитной системы двигателя. В этом случае магнитный поток при возрастании нагрузки практически не изменяется и характеристики двигате­ля приобретают почти прямолинейный характер. Характери­стика частоты вращения двигателя последовательного возбуж­дения показывает, что частота вращения двигателя значительно меняется при изменениях нагрузки. Такую характеристику принято называть мягкой.

Рис. 29.9. Двигатель последовательного возбуждения:

а — принципиальная схема; б — рабочие характеристики; в — механические характеристики; 1 — естественная характеристика; 2 — искусственная характе­ристика

При уменьшении нагрузки двигателя последовательного воз­буждения частота вращения резко увеличивается и при нагрузке меньше 25% от номинальной может достигнуть опасных для дви­гателя значений («разнос»). Поэтому работа двигателя последова­тельного возбуждения или его пуск при нагрузке на валу меньше 25% от номинальной недопустима.

Для более надежной работы вал двигателя последовательного возбуждения должен быть жестко соединен с рабочим механиз­мом посредством муфты и зубчатой передачи. Применение ремен­ной передачи недопустимо, так как при обрыве или сбросе ремня может произойти «разнос» двигателя. Учитывая возможность ра­боты двигателя на повышенных частотах вращения, двигатели по­следовательного возбуждения, согласно ГОСТу, подвергают ис­пытанию в течение 2 мин на превышение частоты вращения на 20% сверх максимальной, указанной на заводском щите, но не меньше чем на 50% сверх номинальной.

Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения  представлены на рис. 29.9, в. Резко падающие кривые механических характеристик (естественная 1 и искус­ственная 2) обеспечивают двигателю последовательного возбуж­дения устойчивую работу при любой механической нагрузке. Свойство этих двигателей развивать большой вращающий момент, пропорциональный квадрату тока нагрузки, имеет важное значе­ние, особенно в тяжелых условиях пуска и при перегрузках, так как с постепенным увеличением нагрузки двигателя мощность на его входе растет медленнее, чем вращающий момент. Эта особенность двигателей последовательного возбуждения является одной из причин их широкого применения в качестве тяговых двигателей на транспорте, а также в качестве крановых двигателей в подъем­ных установках, т. е. во всех случаях электропривода с тяжелыми условиями пуска и сочетания значительных нагрузок на вал двига­теля с малой частотой вращения.

Номинальное изменение частоты вращения двигателя после­довательного возбуждения

                                       ,                                  (29.16)

где  — частота вращения при нагрузке двигателя, составляю­щей 25% от номинальной.

Частоту вращения двигателей последовательного возбуждения можно регулировать изменением либо напряжения , либо маг­нитного потока обмотки возбуждения. В первом случае в цепь якоря последовательно включают регулировочный реостат  (рис. 29.10, а). С увеличением сопротивления этого реостата уменьшаются напряжение на входе двигателя и частота его вра­щения. Этот метод регулирования применяют главным образом в двигателях небольшой мощности. В случае значительной мощно­сти двигателя этот способ неэкономичен из-за больших потерь энергии в . Кроме того, реостат ,рассчитываемый на рабочий ток двигателя, получается громоздким и дорогостоящим.

При совместной работе нескольких однотипных двигателей частоту вращения регулируют изменением схемы их включения относительно друг друга (рис. 29.10, б). Так, при параллельном включении двигателей каждый из них оказывается под полным напряжением сети, а при последовательном включении двух дви­гателей на каждый двигатель приходится половина напряжения сети. При одновременной работе большего числа двигателей воз­можно большее количество вариантов включения. Этот способ регулирования частоты вращения применяют в электровозах, где установлено несколько одинаковых тяговых двигателей.

Изменение подводимого к двигателю напряжения возможнопри питании двигателя от источника постоянного тока с регулируемым напряжением (например, по схеме, аналогичной рис. 29.6, а). При уменьшении подводимого к двигателю напряжения его механические характеристики смещаются вниз, практически не меняя своей кривизны (рис. 29.11).

Рис. 29.11. Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения при изменении подводимого напряжения 

Регулировать частоту вращения двигателя изменением маг­нитного потока можно тремя способами: шунтированием обмотки возбуждения реостатом , секционированием обмотки возбужде­ния и шунтированием обмотки якоря реостатом . Включение реостата , шунтирующего обмотку возбуждения (рис. 29.10, в), а также уменьшение сопротивления этого реостата ведет к сниже­нию тока возбуждения , а следовательно, к росту частоты вращения. Этот способ экономичнее предыдущего (см. рис. 29.10, а), применяется чаще и оценива­ется коэффициентом регули­рования . Обычно сопротивление рео­стата  принимается таким, чтобы .

При секционировании об­мотки возбуждения (рис. 29.10, г) отключение части витков об­мотки сопровождается ростом частоты вращения. При шунти­ровании обмотки якоря реоста­том  (см. рис. 29.10, в) увели­чивается ток возбуждения , что вызывает уменьшение частоты вращения. Этот способ регулирования, хотя и обеспечивает глубокую регулировку, неэкономичен и применяется очень редко.

Рис. 29.10. Регулирование частоты вращения двигателей последователь­ного возбуждения

В машинах постоянного тока, как и в других электрических машинах, имеют место магнитные, электрические и механические потери (составляющие группу основных потерь) и добавочные потери.

Магнитные потери  происходят только в сердечнике якоря, так как только этот элемент магнитопровода машины постоянного тока подвергается перемагничиванию. Величина магнитных по­терь, состоящих из потерь от гистерезиса и потерь от вихревых токов, зависит от частоты перемагничивания   значений магнитной индукции в зубцах и спинке якоря, толщины листов электротехнической стали, ее магнитных свойств и качества изо­ляции этих листов в пакете якоря.

Электрические потери в коллекторной машине постоянного тока обусловлены нагревом обмоток и щеточного контакта. Поте­ри в цепи возбуждения определяются потерями в обмотке возбуж­дения и в реостате, включенном в цепь возбуждения:

                                                                                                (29.18)

Здесь  — напряжение на зажимах цепи возбуждения. Потери в обмотках цепи якоря

                                                                               (29.19)

где сопротивление обмоток в цепи якоря , приведенное к рас­четной рабочей температуре , определяется по (13.4) с учетом данных, приведенных в § 13.1 и § 8.4.

Электрические потери также имеют место и в контакте щеток:

                                                                                       (29-20)

где  — переходное падение напряжения, В, на щетках обеих полярностей, принимаемое в соответствии с маркой щеток по табл. 27.1.

Электрические потери в цепи якоря и в щеточном контакте за­висят от нагрузки машины, поэтому эти потери называют пере­менными.

Механические потери. В машине постоянного тока механиче­ские потери складываются из потерь от трения щеток о коллектор

                                                                                            (29.21)

трения в подшипниках  и на вентиляцию

                                                                                       (29.22)

где  — коэффициент трения щеток о коллектор  — поверхность соприкосновения всех щеток с коллектором, м²;  — удельное давление, Н/м², щетки [для машин общего назначе­ния =(2÷3)·10⁴ Н/м²];

окружная скорость коллектора (м/с) диаметром  (м)

                                    .                                           (29.23)

Механические и магнитные потери при стабильной частоте вращения  можно считать постоянными.

Сумма магнитных и механических потерь составляют потери х.х.:

                                .                                                 (29.24)

Если машина работает в качестве двигателя параллельного возбуждения в режиме х.х., то она потребляет из сети мощность

            .              (29.25)

Однако ввиду небольшого значения тока  электрические по­тери  и весьма малы и обычно не превышают 3% потерь . Поэтому, не допуская заметной ошибки, можно записать , откуда потери х.х.

                                           .                                      (29.26)

Таким образом, потери х.х. (магнитные и механические) могут быть определены экспериментально.

В машинах постоянного тока имеется ряд трудно учитывае­мых потерь — добавочных. Эти потери складываются из потерь от вихревых токов в меди обмоток, потерь в уравнительных соедине­ниях, в стали якоря из-за неравномерного распределения индукции при нагрузке, в полюсных наконечниках, обусловленных пульса­цией основного потока из-за наличия зубцов якоря, и др. Добавоч­ные потери составляют хотя и небольшую, но не поддающуюся точному учету величину. Поэтому, согласно ГОСТу, в машинах без компенсационной обмотки значение добавочных потерь  принимают равным 1% от полезной мощности для генераторов или 1% от подводимой мощности для двигателей. В машинах с компенсационной обмоткой значение добавочных потерь прини­мают равным соответственно 0,5%.

Мощность (Вт) на входе машины постоянного тока (подводимая мощность):

для генератора (механическая мощность)

                                                                       (29.27)

где  — вращающий момент приводного двигателя, Н∙м;

для двигателя (электрическая мощность)

                                                             .                                              (29.28)

Мощность (Вт) на выходе машины (полезная мощ­ность):

для генератора (электрическая мощность)

                                                                ;                                            (29.29)

для двигателя (механическая мощность)

                                                    .                                (29.30)

Здесь  и  — момент на валу электрической машины, Н-м;  — частота вращения, об/мин.

Коэффициент полезного действия. Коэффициент полезного действия электрической машины представляет собой отношение мощностей отдаваемой (полезной)  к подводимой (потребляе­мой) ,:

.

Определив суммарную мощность вышеперечисленных потерь

                                     ,           (29.31)

можно подсчитать КПД машины по одной из следующих формул:

для генератора

                                 ;                          (29.32)

для двигателя

                                      .                         (29.33)

Обычно КПД машин постоянного тока составляет 0,75—0,90 для машин мощностью от 1 до 100 кВт и 0,90—0,97 для машин мощностью свыше 100 кВт. Намного меньше КПД машин посто­янного тока малой мощности. Например, для машин мощностью от 5 до 50 Вт  = 0,15÷0,50. Указанные значения КПД соответст­вуют номинальной нагрузке машины. Зависимость КПД маши­ны постоянного тока от нагрузки выражается графиком , форма которого характерна для электрических машин (рис. 29.13).

Рис. 29.13. Зависимость

Коэффициент полезного действия электрической машины можно определять: а) методом непосредственной нагрузки по ре­зультатам измерений подведенной  и отдаваемой  мощностей; б) косвенным методом по результатам измерений потерь.

Метод непосредственной нагрузки применим только для ма­шин малой мощности, для остальных случаев применяется кос­венный метод, как более точный и удобный. Установлено, что при  > 80 % измерять КПД методом непосредственной нагрузки неце­лесообразно, так как он дает большую ошибку, чем косвенный метод.

Существует несколько кос­венных способов определения КПД. Наиболее прост способ хо­лостого хода двигателя, когда потребляемая машиной постоян­ного тока мощность затрачивает­ся только на потери х.х. [см. (29.26)]. Что же касается элек­трических потерь, то их определяют расчетным путем после пред­варительного измерения электрических сопротивлений обмоток и приведения их к рабочей температуре.

Пример 29.1. Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения (см. рис. 29.3) включен в сеть с напряжением 220 В. При номинальной нагрузке и частоте вращения об/мин он потребляет ток  = 43 А. Определить КПД двигателя при номинальной нагрузке, если ток х.х.  = 4 А, а сопротивления цепей якоря  = 0,25 Ом и возбуждения  = 150 Ом. При каком добавочном сопротивлении , включенном последовательно в цепь якоря, частота вращения двигателя будет  = 1000 об/мин (нагрузочный момент )?

Решение. Ток возбуждения  = 220/150 =1,47 А. Ток якоря в ре­жиме х.х. = 4 – 1,47 = 2,53 А. Ток якоря номинальный  = 43 – 1,47 = 41,53 А. Сумма магнитных и механических потерь  = 220- 2,53 -2,53²– 0,25 = 555 Вт. Электрические потери в цепи возбуждения по (29.18)

                                                     Вт.

Электрические потери в цепи якоря по (29.19)

                                                 Вт.

Электрические потери в щеточном контакте по (29.20)

                                              Вт.

Подводимая к двигателю мощность по (29.28)

                                                   Вт.

Добавочные потери

                                              Вт.

Суммарные потери по (29.31)

                                               Вт.

Полезная мощность двигателя

                                         Вт.

КПД двигателя при номинальной нагрузке

                                              .

Из выражения (29.5) получим

ЭДС якоря при частоте вращения 1000 об/мин по (25.20)

                                                     В.

Так как ток якоря прямо пропорционален моменту  [см (25.24)], то при  сила тока  после включения  останется прежней  А. Из выражения тока якоря (29.2) получим

                                      Ом.

Электрические потери в добавочном сопротивлении

                                    Вт.

Полезная мощность двигателя при частоте вращения 1000 об/мин

                                    Вт.

Расчет полезной мощности  является приближенным, так как он не учиты­вает уменьшение механических потерь двигателя при его переходе на меньшую частоту вращения.

§ 29.9. Машины постоянного тока серий 4П и 2П

Стремительное развитие автоматизации производства привело к необходимости создания двигателей постоянного тока с широ­ким диапазоном регулирования частоты вращения (до 1:1000) с хорошими динамическими свойствами. Этим требованиям соот­ветствуют двигатели серии 4П. Серия охватывает двигатели с вы­сотой оси вращения от 80 до 450 мм следующих модификаций.

Двигатели типа 4ПО и 4ПБ охватывают диапазон мощности от 0,126 до 5,5 кВт при номинальной частоте вращения от 750 до 3000 об/мин. Двигатели допускают регулирование частоты враще­ния вниз от номинальной уменьшением напряжения на обмотке якоря при снижении тока до 0,5 . А так же вверх от номиналь­ной (уменьшением тока возбуждения) в пределах максимальной частоты вращения, которая превышает номинальную в среднем в 1,35— 1,8 раза.

Конструкция этих двигателей унифицирована с асинхронны­ми двигателями серии 4А. Это позволило применить для произ­водства некоторых узлов двигателей типа 4ПО и 4ПБ технологи­ческое оборудование, применяемое в производстве двигателей серии 4А. В унифицированной конструкции этих двигателей магнитопровод статора неявнополюсный с распределенными в пазах обмотками. Так, обмотка возбуждения (независимая) укладывает­ся в два паза в пределах каждого полюсного деления, остальные пазы занимает компенсационная обмотка. В двигателях типа 4ПО и 4ПБ и двигателях серии 4А одинакового габарита могут быть применены одинаковые станины, задние подшипниковые шиты, коробки выводов, подшипники и т. п.

Применение распределенных обмоток на статоре двигателей типа 4ПО и 4ПБ улучшило процесс охлаждения и позволило уве­личить токовые нагрузки на обмотки возбуждения и компенсаци­онную. Кроме того, распределенная конструкция обмоток статора способствует лучшей компенсации реакции якоря и улучшению коммутации.

Двигатели постоянного тока типов 4ПО и 4ПБ имеют закры­тое исполнение со степенью защиты I Р44 со способами охлаждения I С0141 (наружный обдув) в двигателях типа 4ПО (рис. 29.14) и I С0041 (естественное охлаждение) в двигателях типа 4ПБ.

Рис. 29.14. Двигатель постоянного тока типа 4IIО унифицированной конструкции;

/ — корпус; 2 — магнитопровод статора с распределенными обмотками; 3 — шит подшипниковый передний; 4 — сердечник якоря; 5 — вентилятор, 6 — ко­жух вентилятора; 7 —  коробка выводов; 8 — коллектор, 9 — траверса.

Широкорегулируемые двигатели типа 4ПФ предназначены для привода станков с программным управлением, роботизиро­ванных производственных комплексов. Исполнение двигателей по степени защиты IР23 (защищенные), способ охлаждения IС06 (независимая вентиляция). Двигатели охватывают номинальные мощности от 2,0 до 250 кВт при высоте оси вращения от 112 до 250 мм. Напряжение питания 220 и 440 В. Регулирование частоты вращения возможно изменением подводимого к обмотке якоря напряжения от 0 до 460 В. Допускается также регулирование частоты вращения ослаблением поля возбуждения (уменьшением тока в обмотке возбуждения).

Статор двигателей восьмигранный шихтованный, явнополюсный (рис. 29.15). Пакет статора запрессован между двумя нажимными плитами толщиной 10 мм. Подшипниковые шиты литые чугунные.

Рис. 29.15. Двигатель постоянного тока типа 4ПФ:

1 — траверса; 2 — вентилятор наружный; 3 — коллектор; 4 — обмоткодержатель якоря; 5 — нажимная плита статора; 6 — подшипниковый щит; 7 — обмотка ком­пенсационная; 8 — дополнительный полюс; 9 — статор; 10 — обмотка независи­мого возбуждения; 11 — балансировочное кольцо

Катушки возбуждения намотаны на главные полюса, катушки дополнительной обмотки надеты на добавочные полюса, компенсационная обмотка расположена в пазах полюсных наконечников.

Наружный вентилятор может быть снабжен фильтром для очистки воздуха от пыли и мелких частиц. Вентилятор располо­жен на боковой или торцевой поверхности со стороны коллектора.

Крупные двигатели 4П для тяжелых условий эксплуатации предназначены для привода крупных металлорежущих станков, механизмов металлургического производства, с частыми пусками, остановками, реверсами, набросами и неравномерностью нагруз­ки. Двигатели изготавливаются с высотой оси вращения 355 и 450 мм мощностью от 110 до 800 кВт; напряжение питания 440 и 600 В. Возбуждение независимое напряжением 220 В. Вентиляция от постороннего вентилятора. Двигатели имеют степень защиты IР44 и IР23.

Универсальными называют коллекторные двигатели, которые могут работать как от сети постоянного, так и от сети однофазного переменного тока.

Коллекторный двигатель постоянного тока в принципе может работать от сети переменного тока, так как при переходе от поло­жительного полупериода переменного напряжения к отрицатель­ному направление электромагнитного момента сохраняется неиз­менным. Объясняется это тем, что при переходе к отрицательному полупериоду почти одновременно с изменением направления тока в обмотке якоря меняется направление тока в обмотке возбужде­ния, т. е. меняется полярность полюсов.

Рис. 29.16. К принципу работы универсального коллекторно­го двигателя

Однофазные коллекторные двигатели имеют преимуществен­но последовательное возбуждение. Применение параллельного возбуждения (рис. 29.14, ) в данном случае ограничивается значительной индуктивностью параллельной обмотки возбуждения, имеющей большое число витков. Это создает значительный фазо­вый сдвиг между током якоря  и током возбуждения  на угол  (рис. 29.14, б). Среднее значение электромагнитного момента в этом случае определяется выражением, аналогичным выражению (25.24), но учитывающим угол сдвига между током якоря и маг­нитным потоком:

                                         , (29.34)

где  — максимальное значение магнитного потока;  — угол сдвига фаз между током якоря и током возбуждения; — угол сдвига фаз между током возбуждения и магнитным потоком, обу­словленный наличием магнитных потерь в машине [ , а следовательно,  ].

В двигателе последовательного возбуждения (рис. 29.14, в) ток якоря  и ток возбуждения  совпадают по фазе:  = 0 (рис. 29.14, г). Поэтому среднее значение электромагнитного вращаю­щего момента в двигателе последовательного возбуждения  больше, чем в двигателе параллельного возбуждения:

                                     .                      (29.35)

Электромагнитный момент двигателя последовательного воз­буждения при работе от сети переменного тока имеет постоянную составляющую  (рис. 29.14, д) и переменную составляющую , изменяющуюся с частотой, равной удвоенной частоте сети  (рис. 29.14, е). Результирующий момент этого двигателя является пульсирующим M _~  (рис. 29.14, ж): M _~ = . Небольшие участки графика  с отрицательным (тормозя­щим) моментом обусловлены фазовым сдвигом между векторами магнитного потока  и током  (рис. 29.14, г). Пульсации мо­мента M _~практически не нарушают работу двигателя, включенно­го в сеть переменного тока, так как сглаживаются за счет момента инерции вращающегося якоря.

По своей конструкции универсальные коллекторные двигате­ли отличаются от двигателей постоянного тока тем, что их станина и главные полюсы делаются шихтованными из листовой электро­технической стали. Это дает возможность сократить магнитные потери, которые при работе двигателя от сети переменного тока повышаются, так как переменный ток в обмотке возбуждения вы­зывает перемагничивание всей магнитной цепи, включая станину и сердечники полюсов.

Основной недостаток однофазных коллекторных двигате­лей — тяжелые условия коммутации. Дело в том, что в коммути­рующих секциях помимо реактивной ЭДС и ЭДС внешнего поля (см. § 27.3) наводится трансформаторная ЭДС ,действующее значение которой

                                             .                 (29.36)

Эта ЭДС наводится переменным магнитным потоком возбуж­дения, сцепленным с коммутирующими секциями. Для уменьше­ния трансформаторной ЭДС необходимо уменьшить поток , а чтобы мощность двигателя при этом осталась прежней, следует увеличить число полюсов в двигателе.

Применение в обмотке якоря двигателя одновитковых секций  также способствует ограничению ,но при этом увели­чивается количество пластин в коллекторе, а следовательно, воз­растают его размеры. Применение добавочных полюсов с обмот­кой, включенной последовательно в цепь якоря, позволяет добиться полной взаимной компенсации трансформаторной ЭДС только при определенных значениях тока якоря и частоты враще­ния. При других режимах работы двигателя условия коммутации остаются тяжелыми. Регулировка частоты вращения и реверсиро­вание однофазного коллекторного двигателя выполняются так же, как и в двигателях постоянного тока последовательного возбуждения.

В универсальном коллекторном двигателе стремятся получить примерно одинаковые частоты вращения при номинальной на­грузке, как на постоянном, так и на переменном токе. Достигается это тем, что обмотку возбуждения двигателя выполняют с ответв­лениями: при работе двигателя от сети постоянного тока обмотка возбуждения используется полностью, а при работе от сети пере­менного тока — частично (рис. 29.15, ).

Расхождения в характеристиках двигателя на постоянном и переменном токе объясняются тем, что при работе от сети пере­менного тока на величину и фазу тока оказывают влияние индук­тивные сопротивления обмоток якоря и возбуждения.

Рис. 29.17. Схема соединений и рабочие характеристики универсального коллекторного двигателя

Однако уменьшение числа витков обмотки возбуждения обеспечивает сближение характеристик лишь при нагрузке, близкой к номи­нальной. На рис. 29.15, б приведены рабочие характеристики уни­версального коллекторного двигателя типа УМТ-22 (55 Вт, 200 об/мин, 110/127 В). Потребляемый двигателем ток при работе от сети переменного тока больше, чем при работе этого же электро­двигателя от сети постоянного тока, так как переменный ток по­мимо активной имеет еще и реактивную составляющую. Коэффи­циент полезного действия универсальных двигателей при переменном токе ниже, чем при постоянном, что вызвано повы­шенными магнитными потерями. Области применения универ­сальных коллекторных двигателей достаточно широки: их приме­няют в автоматике, для привода различного электроинструмента, бытовых электроприборов и др.

Контрольные вопросы

1. Какие способы ограничения пускового тока применяются в двигателях постоянного тока?

2. С какой целью при пуске двигателя параллельного возбуждения сопротивле­ние реостата в цепи возбуждения устанавливают минимальным?

3. Сравните двигатели параллельного и последовательного возбуждения по их регулировочным свойствам.

4. Какова разница в конструкции коллекторных двигателей постоянного и пе­ременного тока?

Глава 30

Электромашинный усилитель

Электромашинный усилитель (ЭМУ) представля­ет собой электрическую машину, работающую в гене­раторном режиме и предназначенную для усиления электрических сигналов. Электромашинные усилители применяются в системах автоматики. Простейший ЭМУ — это генератор постоянного тока независимого возбуждения (см. рис. 28.2, а). Так как напряжение на выходе генератора зависит от тока возбуждения (см. рис. 28.2, б), то, изменяя ток возбуждения, можно управлять напряжением на выходе генератора. Следо­вательно, сравнительно небольшой мощностью в цепи обмотки возбуждения можно управлять значительной мощностью в цепи якоря.

Электромашинные усилители, выполненные по принципу генератора независимого возбуждения, не нашли широкого применения, так как они не могут обеспечить достаточно большого коэффициента усиления по мощности (не более 80—100), представ­ляющего собой отношение мощности на выходе уси­лителя к мощности на входе обмотки управления.

Наибольшее распространение в автоматике полу­чили электромашинные усилители поперечного поля. В отличие от обычного генератора постоянного тока в этом ЭМУ основным рабочим потоком является маг­нитный поток, создаваемый током обмотки якоря, — поперечный поток реакции якоря (см. рис. 26.4, б).

На коллекторе ЭМУ установлено два комплекта щеток: один комплект —  (рис. 30.1, а)— распо­ложен по поперечной оси главных полюсов, т. е. на геометрической нейтрали, а другой —  по продольной оси главных, полюсов. Щетки   замкнуты накоротко, а к щеткам  подключена рабочая цепь ЭМУ.

Помимо обмотки якоря усилитель имеет одну или несколько обмоток управления ,компен­сационную обмотку (ОК), поперечную подмагничивающую обмотку (ОП) и обмотку добавочных по­люсов (ОД). Якорь усилителя приводится во вращение электродвигателем.

Если к одной из обмоток управления подвести напряжение , то в этой обмотке появится ток управления , который создает МДС обмотки управления . Эта МДС, в свою очередь, создает магнитный поток , который наведет в обмотке якоря в цепи щеток  ЭДС . Электродвижущая сила  невелика, но так как щетки  замкнуты накоротко, то ЭДС  вызовет зна­чительный ток . Ток в обмотке якоря  создаст МДС  и маг­нитный поток , который на­правлен по поперечной оси главных полюсов, т. е. по гео­метрической нейтрали, и непод­вижен в пространстве. В обмот­ке якоря, вращающейся в не­подвижном потоке ,наводит­ся ЭДС ,снимаемая с про­дольных щеток .

Если к выходным зажимам ЭМУ подключить нагрузку ,то ЭДС  создаст в цепи щеток  рабочий ток .

Таким образом, небольшая мощность обмотки управления проходит две ступени усиления: сначала эта мощность усилива­ется на ступени «цепь управле­ния — поперечная цепь», а затем на ступени «поперечная цепь — продольная (рабочая) цепь».

Усиление мощности на ка­ждой ступени характеризуется коэффициентом усиления, ко­торый на ступени «цепь управ­ления — поперечная цепь» оп­ределяется отношением мощ­ности в поперечной цепи  к мощности управления :

                                            .                                (30.1)

Коэффициент усиления на ступени «поперечная цепь — про­дольная (рабочая) цепь» определяется отношением мощностей в этих цепях:

                                                        ,                              (30.2)

где  — мощность в рабочей цепи усилителя, т. е. в цепи щеток .

Рис. 30.1 ЭМУ поперечного поля:

— принципиальная схема;

 — внешние характеристики

Общий коэффициент усиления ЭМУ равен произведению частных коэффициентов усиления:

                                          .   (30.3)

Коэффициент усиления электромашинных усилителей может достигать 2000—20 000.

Следует помнить, что мощность на выходе ЭМУ  представляет собой преобразованную механическую мощность приводного электродвигателя. Значение этой мощности, которое может дости­гать более 20 кВт, управляется небольшой мощностью управления (обычно 0,1—1,0 Вт).

Обмотка добавочных полюсов (ОД) служит для улучшения коммутации на продольных щетках . Поперечная подмагничивающая обмотка (ОП) усиливает магнитный поток по попереч­ной оси, что позволяет уменьшить ток в цепи щеток ,следо­вательно, улучшить коммутацию на этих щетках (в ЭМУ малой мощности эта обмотка отсутствует).

Компенсационная обмотка (ОК), наличие которой в ЭМУ обя­зательно, устраняет размагничивающее влияние реакции якоря по продольной оси. Дело в том, что ток рабочей цепи ЭМУ (ток на­грузки)  создает МДС по продольной оси ,направленную на­встречу МДС обмотки управления . Эта МДС намного меньше МДС ,поэтому даже при небольшой нагрузке усилителя размаг­ничивающее влияние реакции якоря по продольной оси настолько велико, что усилитель размагничивается и напряжение на его вы­водах падает до нуля. Для устранения этого явления на статоре ЭМУ располагают компенсационную обмотку, включен­ную последовательно в рабочую цепь якоря. С появлением тока   в рабочей цепи возникает МДС компенсационной обмотки ,на­правленная по продольной оси встречно МДС реакции якоря . Этим устраняется (компенсируется) размагничивающее влияние реакции якоря по продольной оси. Для полной компенсации необ­ходимо, чтобы МДС  и  были равны, так как недокомпенсация  или перекомпенсация  оказывает значительное влияние на магнитный поток , а следовательно, и на свойства ЭМУ. Однако рассчитать компенсационную обмотку с требуемой точностью практически невозможно, что ведет к необходимости опытной настройки требуемого значения МДС  посредством реостата ,шунтирующего компенсационную обмотку.

Электромашинные усилители поперечного поля выпол­няют двухполюсными, при этом каждый из главных полюсов расщепляют на две части 1, между которыми располагают до­бавочные полюса 2 (рис. 30.2). Обмотки управления 4 выпол­няют сосредоточенными в виде полюсных катушек, надетых на главные полюса, что же касается компенсационной обмот­ки 3, то ее делают распределенной, используя для этого пазы в полюсных наконечниках главных полюсов. Этим достигает­ся компенсация продольной реакции якоря по всему перимет­ру статора.

Рис. 30.2. Расположение обмоток ЭМУ на статоре

При мощности до нескольких киловатт ЭМУ выполняют в общем корпусе с приводным двигателем постоянного или переменного тока. При значительной мощности ЭМУ и двигатель вы­полняют раздельно и монтируют на общей раме.

Рабочие свойства ЭМУ в значительной степени определяются его внешней характеристикой  при  и . Напряжение на выходе усилителя

                                              ,                              (30-4) 

где  сумма электрических сопротивлений в продольной цепи якоря, Ом, включающая в себя сопротивления обмотки якоря ,добавочных полюсов , компен­сационной обмотки  и щеточно­го контакта .

Ввиду того, что магнитная цепь усилителя не насыщена, на­пряжение  является линейной функцией тока нагрузки , т. е. внешняя характеристика ЭМУ представляет собой практически прямую линию (рис. 30.1, б).

Угол наклона внешней харак­теристики к оси абсцисс (жест­кость характеристики) зависит от степени компенсации реакции якоря. При полной компенсации МДС компенсационной обмотки  равна МДС реакции якоря по продольной оси . В этом случае внешняя характеристика получается достаточно жест­кой (кривая 3), так как уменьшение напряжения  при увеличе­нии тока нагрузки  происходит лишь за счет увеличения падения напряжения в цепи якоря по продольной оси .

При недокомпенсации внешняя характеристика получается менее жесткой (кривая 4). Объясняется это тем, что при недокомпенсации МДС ,возрастая с увеличением тока ,значительно ослабляет магнитный поток обмотки управления , что ведет к заметному уменьшению напряжения на выходе ЭМУ.

Если в усилителе настроить небольшую перекомпен­сацию так, чтобы МДС  полностью скомпенсировала не только реакцию якоря  по продольной оси, но и падение на­пряжения , то внешняя характеристика усилителя становит­ся абсолютно жесткой и располагается параллельно оси абсцисс (кривая 2). В этом случае напряжение на выходе ЭМУ остается неизменным во всем диапазоне изменения нагрузки.

При значительной перекомпенсации внешняя ха­рактеристика (кривая 1) приобретает восходящий характер, так как МДС  не только компенсирует , но и создает дополни­тельный продольный поток, который, накладываясь на магнитный поток управления , вызывает увеличение ЭДС . Работа усили­теля с перекомпенсацией становится неустойчивой, так как возникает опасность произвольного самовозбуждения ЭМУ, при кото­ром увеличение напряжения на выходе усилителя вызывает рост тока нагрузки, что ведет к дальнейшему увеличению напряжения, т. е. происходит неограниченное увеличение тока нагрузки. Обыч­но в усилителе настраивают небольшую недокомпенсацию, при которой увеличение напряжения  при уменьшении тока  от номинального до нуля составляло бы 12—20%.

С целью улучшения свойств двигателей постоянного тока бы­ли созданы двигатели с бесконтактным коммутатором, называе­мые бесконтактными двигателями постоянного тока (БДПТ). От­личие БДПТ от коллекторных двигателей традиционной конструк­ции состоит в том, что у них щеточно-коллекторный узел заменен полупроводниковым коммутатором (инвертором), управляемым сигналами, поступающими с бесконтактного датчика положения ротора. Рабочая обмотка двигателя — обмотка якоря — располо­жена на сердечнике статора, а постоянный магнит — на роторе.

Вал двигателя Д (рис. 30.4, а)механически соединен с датчи­ком положения ротора (ДПР), сигнал от которого поступает в блок коммутатора (БК). Подключение секций обмотки якоря к источнику постоянного тока происходит через элементы блока комму­татора (БК). Назначение ДПР — выдавать управляющий сигнал в блок коммутатора в соответствии с положением полюсов постоян­ного магнита относительно секций обмотки якоря.

рис. 30.4. Бесконтактный двигатель постоянного тока:

— блок-схема, — магнитная система

В качестве датчиков положения ротора применяют чувствительные различные бесконтактные элементы с минимальными разме­рами и потребляемой мощностью и большой кратностью минимального и максимального сигналов, чтобы не вы­зывать нарушений в работе блока ком­мутатора. Чувствительные элементы ДПР должны надежно работать при внешних воздействиях (температура, влажность, вибрации и т. п.), на которые рассчитан двигатель. Такие свойства присущи ряду чувствительных элемен­тов (датчиков): индуктивных, трансфор­маторных, магнитодиодов и т. п. Наибо­лее целесообразно использовать датчики ЭДС Хота (рис. 30.5), представляющие собой тонкую полупроводниковую пла­стину с нанесенными на ней контактны-

ми площадками, к которым припаяны выводы /—2, подключен­ные к источнику напряжения , и выводы 3—4, с которых сни­мают выходной сигнал . Если в цепи 1—2 проходит ток , а дат­чик находится в магнитном поле, вектор индукции В которого перпендикулярен плоскости пластины датчика, то в датчике наво­дится ЭДС и на выводах 3—4 появляется напряжение . Значение ЭДС зависит от тока  и магнитной индукции В, а полярность — от направления тока  в цепи 1—2 и направления вектора магнитной индукции В.

Рис. 30.5. Датчик ЭДС Холла

Рассмотрим работу бесконтактного двигателя постоянного то­ка, для управления которым применяют датчики Холла и комму­татор, выполненный на транзисторах V Т1—V Т4 (рис. 30.6). Четыре обмотки (фазы) двигателя  распо­ложены на явно выраженных полюсах шихтованного сердечника якоря (см. рис. 30.4, б). Датчики Холла ДХ1 и ДХ2 уста­новлены в пазах полюсных наконечников двух смежных полюсов. Силовые транзисторы V Т1—V Т4 работают в релейном (ключевом) режиме (рис. 30.6). Сигнал на открытие транзистора поступает от соот­ветствующего датчика Холла (датчика положения ротора). Питание датчиков Холла (выводы 1—2)осуществляется от источника напряжением .

Рис. 30.6. Принципиальная схема БДПТ

Каждая обмотка (фаза) выполнена из двух катушек, расположенных на противолежащих полюсах сердечника статора и соединенных последова­тельно (рис. 30.7). Если по какой-либо из обмоток (фаз) статора про­ходит ток от начала Н1—Н4 к концу К1—К4, то полюсы сердечника статора приобретают полярность соответственно S и N.

Рис. 30.7. Расположение обмоток фаз на полюсах статора БДПТ

При положении ротора, показанном на рис. 30.6, в зоне маг­нитного полюса N находится датчик ДХ1. При этом на выходе дат­чика появляется сигнал, при котором транзистор V Т2 переходит в открытое состояние. В обмотке (фаза) статора  появляется ток , протекающий от Н2 к К2. При этом полюсы статора 2 и 4 приоб­ретают полярность S и N (рис. 30.8, ). В результате взаимодейст­вия магнитных полей статора и ротора (постоянного магнита) появляется электромагнитный момент М, вращающий ротор. После поворота ротора относительно оси полюсов статора 1—3 на неко­торый угол а против часовой стрелки датчик ДХ2 окажется в зоне магнитного полюса ротора S, при этом по сигналу с датчика ДХ2 включается транзистор V Т3. В фазной катушке  возникает ток  и полюсы 3 и / приобретают полярность S и N. При этом магнит­ный поток статора Ф создается совместным действием МДС обмо­ток фаз  и . Вектор этого потока повернут относительно оси 2—4 на угол 45⁰ (рис. 30.8, б). Ротор, продолжая вращение, зани­мает положение по оси полюсов статора 2—4. При этом датчик ДХ1 попадает в межполюсное пространство ротора, а датчик ДХ2 останется в зоне полюса S  ротора. В результате транзистор V Т2 закрывается, транзистор V ТЗ останется открытым и магнитный поток Ф, создаваемый МДС обмотки фазы , поворачивается от­носительно оси полюсов 2—4 еще на 45⁰ (рис. 30.8, в). После того как ось вращающегося ротора пересечет ось полюсов статора 2—4, датчики ДХ1 и ДХ2 окажутся в зоне полюса ротора S, что приведет к включению транзисторов V ТЗ и V Т4. Дальнейшую работу эле­ментов схемы БДПТ (рис. 30.8) до завершения вектором потока Ф одного оборота проследим по табл. 30.1 и рис. 30.8, а — з.

Рис. 30.8. Магнитное поле статора в четырехполюсном БДПТ

На рис. 30.9 показано устройство рассмотренного БДПТ. Дат­чики Холла 3 размещены в специальных пазах полюсных нако­нечников 1 сердечника статора.

Рис. 30.9. Устройство БДПТ

Постоянный магнит 2 не имеет центрального отверстия для посадки на вал, он закладывается в тонкостенную гильзу и закры­вается привариваемыми фланцами двух полуосей. Такая конст­рукция ротора позволяет избежать выполнения центрального от­верстия в постоянном магните, что часто является причиной брака (трещины, сколы и т. п.). Блок коммутатора (БК) расположен на панелях 5, отделен от двигателя перегородкой 4 и закрыт металли­ческим колпаком 6, через который выведены провода 7 для под­ключения двигателя в сети постоянного тока. Подобная конструк­ция применена в БДПТ полезной мощностью от 1 до 120 Вт.

Таблица 30.1

Изменение направления вращения (реверс) двигателя осуще­ствляется изменением полярности напряжения  в токовой цепи датчиков Холла. Изменение полярности напряжения U на входе двигателя недопустимо, так как при этом прекращается работа блока коммутатора.

Коэффициент полезного действия БДПТ по сравнению с кол­лекторными двигателями постоянного тока выше, что объясняется отсутствием щеточно-коллекторного узла, а значит, электрических потерь в щеточном контакте и механических потерь в коллекторе.

К достоинствам БДПТ относятся также высокая надежность и долговечность, что объясняется отсутствием у них щеточно-коллекторного узла, т. е. их бесконтактностью. Двигатели могут работать в условиях широкого диапазона температур окружающей среды, в вакууме, в средах с большой влажностью и т. п., где при­менение коллекторных двигателей недопустимо из-за неработо­способности щеточно-коллекторного узла.

Недостаток БДПТ — повышенная стоимость, обусловленная наличием полупроводникового блока коммутатора, чувствитель­ных элементов (датчиков ЭДС Холла) и постоянного магнита.

Исполнительные двигатели постоянного тока, так же как исполнительные асинхронные двигатели (см. § 17.4), применяются в системах автоматики для преобразования электрического сигна­ла в механическое перемещение. Помимо обычных требований, предъявляемых к электродвигателям общего назначения, к испол­нительным двигателям предъявляется ряд специфических требо­ваний, из которых основными являются отсутствие самохода и малоинерционность (см. § 17.4).

Почти все исполнительные двигатели (исключение составля­ют лишь двигатели с постоянными магнитами) имеют две обмот­ки. Одна из них постоянно подключена к сети и называется об­моткой возбуждения, на другую — обмотку управления электрический сигнал подается лишь тогда, когда необходимо вы­звать вращение вала. От напряжения управления зависят частота вращения и вращающий момент исполнительного двигателя, а следовательно, и развиваемая им механическая мощность.

Исполнительные двигатели постоянного тока по конструкции отличаются от двигателей постоянного тока общего назначения только тем, что имеют шихтованные (набранные из листов элек­тротехнической стали) якорь, станину и полюсы, что необходимо для работы исполнительных двигателей в переходных режимах. Магнитная цепь исполнительных двигателей не насыщена, поэто­му реакция якоря (см. § 26.2) практически не влияет на их рабочие характеристики.

В качестве исполнительных двигателей постоянного тока в настоящее время используют чаще всего двигатели с независимым возбуждением, реже — двигатели с постоянными, магнитами. У двигателей с независимым возбуждением в качестве обмотки управления используют либо обмотку якоря — двигатели с якор­ным управлением, либо обмотку полюсов — двигатели с полюс­ным управлением.

У исполнительных двигателей с якорным управлением обмоткой возбуждения является обмотка полю­сов, а обмоткой управления — обмотка якоря (рис. 30.10, а). Об­мотку возбуждения подключают к сети с постоянным напряжени­ем  на все время работы автоматического устройства. На обмотку управления подают сигнал (напряжение управления) лишь тогда, когда необходимо вызвать вращение якоря двигателя. От напряжения управления зависят вращающий момент и частота вращения двигателя. При изменении полярности напряжения управления меняется направление вращения якоря двигателя.

У исполнительных двигателей с полюсным управлением обмоткой управления является обмотка полю­сов, а обмоткой возбуждения — обмотка якоря (рис. 30.10, б). Якорь двигателя постоянно подключен к сети с напряжением . Для ограничения тока иногда последовательно с якорем включают добавочное (балластное) сопротивление . На обмотку полюсов напряжение управления , (сигнал) подают лишь тогда, когда необходимо вызвать вращение якоря.

Рис. 30.10. Схема включения исполнительных двигателей постоянного тока

Исполнительные двигатели постоянного тока обычной конст­рукции имеют существенный недостаток — замедленность пере­ходных процессов, т. е. отсутствие малоинерционности. Объясня­ется это в основном двумя причинами: наличием массивного якоря со стальным сердечником, обладающим значительным моментом инерции, и значительной индуктивностью  обмотки якоря, уло­женной в пазы сердечника якоря. Последняя причина способству­ет увеличению электромагнитной постоянной времени . Указанные недостатки отсутствуют в двигателях с глад­ким (полым) якорем (рис. 30.11). Станина 1 и полюсы 3 этого двигателя обычные. Возбуждение двигателя осуществляется либо с помощью обмотки возбуждения 2, либо постоянными маг­нитами.

Рис. 30.11. Малоинерционный исполнительный двигатель постоянного тока с полым якорем

Для уменьшения момента инерции якоря его обмотка отделе­на от массивного ферромагнитного сердечника, последний выполнен неподвижным (внутренний статор 5) и расположен на цилинд­рическом выступе подшипникового щита 6.

Обмотка якоря в процессе изготовления укладывается на ци­линдрический каркас, а затем заливается пластмассой. Готовый якорь 4 представляет собой полый стакан, состоящий из провод­ников обмотки, связанных воедино пластмассой. Концы секций обмотки, как и в обычном двигателе, соединяются с пластинами кол­лектора, который является частью дна полого стакана якоря 4. Вра­щающийся узел двигателя с глад­ким якорем состоит из вала, коллек­тора и обмотки якоря, залитой пластмассой.

Момент инерции полого якоря значительно меньше момента инер­ции обычного якоря, что обеспечи­вает хорошее быстродействие дви­гателя. Кроме того, индуктивность обмотки якоря снижается, что также способствует повышению быстродействия двигателя. К тому же снижение индуктивности обмотки улучшает коммутацию двигателя за счет уменьшения реактивной ЭДС (см § 27.4).

Недостаток рассмотренного малоинерционного двигателя с полым якорем — наличие большого немагнитного промежутка между полюсами статора и неподвижным ферромагнитным сердечником — внутренним статором. Этот промежуток складывает­ся из двух воздушных зазоров и толщины стакана якоря (толщины слоя обмотки якоря). Наличие большого немагнитного промежут­ка на пути магнитного потока требует значительного увеличения МДС возбуждения, что приводит, во-первых, к увеличению габа­ритов двигателя из-за увеличения объема обмотки возбуждения, а во-вторых, к росту потерь на нагрев обмотки возбуждения. Однако КПД двигателя с полым якорем вследствие отсутствия потерь в стали сердечника якоря практически находится на том же уровне, что и в обычных двигателях, а в случае применения для возбужде­ния постоянных моментов значительно превосходит КПД последних.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение компенсационной обмотки в ЭМУ?

2. Почему выходная характеристика тахогенератора криволинейна?

3. Будет ли работать БДПТ, если изменить полярность напряжения на его входе (см. рис. 30.6)?

4. Объясните принцип якорного и полюсного способов управления исполни­тельными двигателями?

5. Каковы достоинства и недостатки малоинерционного двигателя постоянного тока?

Заключение

Достижения науки и техники, обусловленные ускорением научно-технического прогресса, способ­ствуют совершенствованию всех отраслей промыш­ленности и транспорта. В первую очередь, это отно­сится к электрическим машинам, составляющим основу электроэнергетики, как в процессе производ­ства электроэнергии, так и в процессе ее потребле­ния.

Совершенствование электрических машин ве­дется по двум направлениям.

Во-первых, совершенствование технологии изготовления электрических машин, с целью увеличе­ния их производства и снижения стоимости.

Во-вторых, применение в электрических маши­нах более качественных магнитных и электроизоля­ционных материалов, с целью повышения технико-экономических показателей электрических машин. И, наконец, в-третьих, создание новых видов элек­трических машин нетрадиционной конструкции, с использованием новейших достижений науки.

Работы последних лет показали, что резервы по усовершенствованию электрических машин тради­ционной конструкции во многом исчерпаны. Поэто­му оказывается целесообразным переход к электри­ческим машинам нового принципа исполнения. В этом смысле особый интерес представляют криоген­ные и магнитогидродинамические электрические машины.

Криогенные электрические машины. В крио­генных электрических машинах обмотки выполняют из сверхпроводников или химически чистых металлов (гиперпроводников). При снижении температуры удельное электрическое сопротивление сверхпро­водников вначале плавно снижается, а затем при температуре критического перехода Θ_кр = 20 К (ниже -253 °С) резко падает до нуля: ρ* = 0 (ρ = 0), т. е. они переходят в состояние сверхпроводимости (рис. 3.1, кривая 1). У обычных металлов и сплавов нет состояния сверхпроводимости, и при снижении температуры их удельное электрическое сопротив­ление плавно уменьшается, достигая значения

ρ* = 10^-1 при температуре абсолютного нуля (кривая 2).

У химически чистых металлов (ги­перпроводников) также нет состоя­ния сверхпроводимости, но при глу­боком охлаждении их удельное электрическое    сопротивление уменьшается до значения, в 5—7 тыс. раз меньшего, чем при комнатной температуре (кривая 3).

Рис.3.1. Зависимость элек­трического сопротивления проводников от температу­ры:

1 — сверхпроводники; 2 -обычные металлы; 3 — хими­чески чистые металлы

Это свойство сверхпроводников и чистых металлов позволяет по прово­дам небольшого сечения пропускать значительные токи, доводя плотность тока до 100 А/мм² и более. Электриче­ские потери на нагрев обмоток при этом либо отсутствуют, либо незначи­тельны. Все это дает возможность по­лучать в криогенных машинах силь­ные магнитные поля с магнитной индукцией В = 5 ÷ 10 Тл (в машинах традиционного выполнения В = 0,8 ÷ 1,5 Тл).

Криогенная машина не содержит ферромагнитного сердечни­ка, который, обладая свойством магнитного насыщения, не позво­лил бы получить столь высокие значения магнитной индукции, так как вызвал бы в машине значительные магнитные потери. Сниже­ние потерь (электрических и магнитных) позволяет повысить КПД машин и более эффективно использовать их габариты, создавая машины весьма большой единичной мощности.

Необходимым элементом криогенной машины является криостат, представляющий собой теплоизолированную от внешней среды емкость, заполненную хладагентом (например, жидким ге­лием). Внутри криостата располагают охлаждаемую обмотку или же электрическую машину целиком.

Рассмотрим конструктивную схему криогенного турбогенера­тора со сверхпроводящими обмотками статора 4 и ротора 3 (рис. 3.2). Вся машина помещена в криостат, заполненный жидким ге­лием при температуре 10 К (-263 °С). На валу 2 расположено че­тыре металлических «полюса» 5, на каждом из которых укреплена говитковая полюсная катушка 3 из

Рис. 3.2. Конструктивная схема криогенного турбогенерато­Ра

со сверхпроводящими обмотками на статоре и роторе

сверхпроводника. Статор за­ключен в магнитный экран 7 из сверхпроводящего сплава.               По­верхность экрана имеет множество отверстий, через которые внутрь машины проникает жидкий гелий. «Полюсы» ротора 5 и «сердечник» статора б, а также другие элементы конструкции ма­шины не обладают ферромагнитными свойствами, а используются лишь для надежного закрепления обмоток.

Вся машина заключена в металлический кожух 8, образующий стенки криостата. Затем следует толстый слой теплоизоляции 9. Выделяющаяся за счет потерь теплота, а также теплота, прони­кающая в криостат из внешней среды, отбирается жидким гелием. Криогенная машина снабжена рефрижератором 10, подающим в криостат охлажденный гелий взамен испаряющегося. Контактные кольца 11 находятся в холодной зоне, а подшипники 1 и 12 выне­сены за пределы криостата.

Рассмотренная конструкция криогенного генератора обладает существенным недостатком – значительные потери энергии в обмотке статора, вызванные переменным током в обмотке статора и переменным магнитным полем, наведанным этой обмоткой. Эти потери происходят главным образом из-за явления гистерезиса в сверхпроводящей обмотке. Пока еще не найдены эффективные способы ослабления этих потерь, вызывающих интенсивное испа­рение хладагента (жидкого гелия). Поэтому помимо электриче­ских машин с криогированием обеих обмоток создаются и иссле­дуются криогенные машины с криогированием только обмотки возбуждения. Эта обмотка питается постоянным током и защище­на алюминиевым (демпфирующим) экраном от воздействия пере­менного магнитного поля обмотки статора, поэтому в ней не про­исходят явления, вызывающие магнитные потери. Обмотка статора в такой машине имеет обычную конструкцию, т. е. она вынесена за пределы криостата.

Исследования показали, что КПД криогенного синхронного турбогенератора с учетом всех дополнительных расходов энергии на собственные нужды (включая гелиевое охлаждение обмотки возбуждения) на 0,8% выше, чем у обычного синхронного генера­тора с водородным охлаждением мощностью 1200 тыс. кВт. При этом криогенный генератор имеет массу в четыре раза меньше.

В последнее время получены проводниковые материалы, об­ладающие сверхпроводимостью при температуре кипения жидко­го азота (-196 °С) —хладагента более дешевого, чем жидкий    ге­лий (температура кипения -268,9 °С). Ведутся работы по созданию проводниковых материалов с еще более высокой температурой сверхпроводимости. Применение этих материалов в          криогенном электромашиностроении упростит конструкцию криостатов и снизит стоимость криогенных электрических машин.

Исследования показали, что в ближайшие 10—20 лет криогенное электромашиностроение станет одним из ведущих направлений при создании электрических машин особо большой мощности, выполнение которых по традиционным принципам технически невозможно.

*****многовитковая полюсная катушка 3 из сверхпроводника. Статор заключен в магнитный экран 7 из сверхпроводящего сплава. По­верхность экрана имеет множество отверстий, через которые внутрь машины проникает жидкий гелий. «Полюсы» ротора 5 и «сердечник» статора 6, а также другие элементы конструкции ма­шины не обладают ферромагнитными свойствами, а используются лишь для надежного закрепления обмоток.

Вся машина заключена в металлический кожух 8, образующий стенки криостата. Затем следует толстый слой теплоизоляции 9. Выделяющаяся за счет потерь теплота, а также теплота, прони­кающая в криостат из внешней среды, отбирается жидким гелием. Криогенная машина снабжена рефрижератором 10, подающим в криостат охлажденный гелий взамен испаряющегося. Контактные кольца 11 находятся в холодной зоне, а подшипники 1 и 12 выне­сены за пределы криостата.

Рассмотренная конструкция криогенного генератора обладает существенным недостатком – значительные потери энергии в обмотке статора, вызванные переменным током в обмотке статора и переменным магнитным полем, наведенным этой обмоткой. Эти потери происходят главным образом из-за явления гистерезиса в сверхпроводящей обмотке. Пока еще не найдены эффективные способы ослабления этих потерь, вызывающих интенсивное испа­рение хладагента (жидкого гелия). Поэтому помимо электриче­ских машин с криогированием обеих обмоток создаются и иссле­дуются криогенные машины с криогированием только обмотки возбуждения. Эта обмотка питается постоянным током и защище­на алюминиевым (демпфирующим) экраном от воздействия пере­менного магнитного ноля обмотки статора, поэтому в ней не про­исходят явления, вызывающие магнитные потери. Обмотка статора в такой машине имеет обычную конструкцию, т. е. она вынесена за пределы криостата.

Исследования показали, что КПД криогенного синхронного турбогенератора с учетом всех дополнительных расходов энергии на собственные нужды (включая гелиевое охлаждение

обмотки возбуждения) на 0,8% выше, чем у обычного синхронного генера­тора с водородным охлаждением мощностью 1200 тыс. кВт. При этом криогенный генератор имеет массу в четыре раза меньше.

В последнее время получены проводниковые материалы, об­ладающие сверхпроводимостью при температуре кипения жидко­го азота (-196°Г) —хладагента более дешевого, чем жидкий     ге­лий (температура кипения -268,9 °С). Ведутся работы по созданию проводниковых материалов с еще более высокой темпе­ратурой сверхпроводимости. Применение этих материалов в крио­генном электромашиностроении упростит конструкцию криостатов и снизит стоимость криогенных электрических машин.

Исследования показали, что в ближайшие 10—20 лет крио­генное электромашиностроение станет одним из ведущих направ­лений при создании электрических машин особо большой мощно­сти, выполнение которых по традиционным принципам техничес­ки невозможно.

Магнитогидродинамические электрические машины. Рас­смотрим принцип действия магнитогидродинамического (МГД) генератора, в котором тепловая энергия преобразуется непосред­ственно в электрическую. Принцип действия основан на том, что при движении рабочего тела, обладающего достаточной электро­проводностью (электролита, жидкого металла, ионизированного газа), поперек силовых линий магнитного поля в этом рабочем те­ле индуцируется ЭДС и возникает ток, который через соответст­вующие электроды отводится во внешнюю электрическую цепь. Для пояснения воспользуемся упрощенной схемой МГД-      генератора (рис. 3, а), в котором рабочим телом являются продукты сгорания топлива с присадкой, усиливающей их электропровод­ность. Топливо 1, воздух 2 и присадка 3 подаются н камеру сгора­ния 4. Образующийся при этом ионизированный газ выходит из сопла 5 и проходит через внутреннюю полость электромагнита 6 поперек магнитных силовых линий поля. В соответствии с явлени­ем электромагнитной индукции в ионизированном газе наводится ЭДС, которая снимается двумя электродами 7 и подается во внешнюю цепь к потребителю r_н. Ионизированный газ, пройдя через магнитное поле, выходит из генератора. Таким образом, в МГД-генераторе теплота, образуемая при сгорании топлива, непосред­ственно преобразуется в электрическую энергию, а поэтому необ­ходимость в получении механической энергии отпадает (не нужны паровой котел и паровая турбина).

Исследования показали, что МГД-генераторы приобретают существенные преимущества перед тепловыми электростанциями традиционного действия лишь при условиях значительной еди­ничной мощности (более 100 МВт) и изготовлении обмотки элек­тромагнита из сверхпроводника, помещенного в криостат.

МГД-генераторы обратимы и могут работать в двигательном режиме. Обычно МГД-двигатели применяются для перемещения электропроводных жидкостей, их принято называть МГД- насосами. Для пояснения принципа работы МГД – насоса обратимся к рис. 3.3, б. Электропроводная жидкость, проходя через канал 1, попа­дает в пространство между полюсами N и S электромагнита. При этом через жидкость от электрода 2 к электроду 3 проходит         элек­трический ток, который взаимодействует с магнитным полем и создает электромагнитные

Рис. 3.3. Принцип действия МГД-генератора (а) и МГД-двигателя (б)

силы, которые и «проталкивают» жид­кость через межполюсное пространство электромагнита.

Подобные МГД-насосы могут применяться для транспорти­ровки различных электропроводных жидкостей. Например, их можно использовать для перемещения расплавленного металла в литейном производстве.

Рассмотренные МГД-машины называют кондукционными, так как их конструкция предусматривает обязательное наличие элек­тродов для съема или подачи электрического тока. Созданы также МГД-машины индукционные (асинхронные), в которых отсутст­вуют электроды, а ЭДС или электромагнитные силы возникают в результате взаимодействия перемещаемой электропроводной жидкости с бегущим магнитным полем [1].

Задачи для самостоятельного решения

1. ТРАНСФОРМАТОРЫ

Задача 1.1. Однофазный трансформатор включен в сеть с час­тотой тока 50 Гц. Номинальное вторичное напряжение U_2ном, а ко­эффициент трансформации k. Определить число витков в обмот­ках w ₁ и w₂, если в стержне магнитопровода трансформатора сечением Q_ст максимальное значение магнитной индукции В_mах (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Задача 1.2. Для однофазного трансформатора номинальной мощностью S_ном и первичным напряжением U_1ном, мощностью ко­роткого замыкания Р_к.ном и напряжением к.з. u_к рассчитать данные и построить график зависимости изменения вторичного напряже­ния ΔU от коэффициента нагрузки β, если коэффициент мощности нагрузки соs φ₂ (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Задача 1.3. Для однофазного трансформатора, данные которо­го приведены в задаче 1.2, рассчитать и построить график зависи­мости КПД от нагрузки η = f (β), если максимальное значение КПД трансформатора соответствует коэффициенту нагрузки β^/ = 0,7.

Задача 1.4. Трехфазный трансформатор номинальной мощно­стью S_ном и номинальными напряжениями (линейными) U_1ном и U_2ном имеет напряжение короткого замыкания u_к, ток холостого хода i₀, потери холостого хода Р_0ном и потери короткого замыкания Р _к.ном. Обмотки трансформатора соединены по схеме «звезда— звезда». Требуется определить параметры Т-образной схемы замещения, считая ее симметричной: r₁ = r₂‘ и х₁ = х₂‘; определить КПД η и полезную мощность Р₂, соответствующие значениям полной потребляемой мощности             S₁ = 0,25 S_ном, S₂ = 0,5 S_ном, S₃ = 0,75 S_ном и S₄ = S_ном при коэффициентах мощности нагрузки         соs φ₂ = 0,8 и соs φ₂ = 1, по полученным данным построить графики η = f(P₂) в одних осях координат; определить номинальное изменение напряжения ΔU_ном (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Задача 1.5. Три трехфазных трансформатора номинальной мощностью S_номI, S_номII и S_номIIIвключены на параллельную работу. Требуется определить: 1) нагрузку каждого трансформатора (S_I, S_II и S_III ) в кВ А, если общая нагрузка равна сумме номинальных мощностей этих трансформаторов (S_общ = S_номI S_номII S_номIII );

2) степень использования каждого из трансформаторов по мощно­сти (S/ S_ном);

3) насколько следует уменьшить общую нагрузку трансформаторов S_общ, чтобы устранить перегрузку трансформато­ров; как при этом будут использованы трансформаторы по мощно­сти в процентах (табл. 1.4).

Таблица 1.4

2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ БЕСКОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИН

Задача 2.1. Рассчитать параметры и начертить развернутую схему трехфазной двухслойной обмотки статора по данным, при­веденным в табл. 2.1. Выбрать укорочение шага обмотки, чтобы уничтожалась v-я высшая гармоника в кривой индуцированной ЭДС обмотки. Соединение катушечных групп последовательное, фазы обмотки соединить звездой, катушки одновитковые.

Таблица 2.1

Задача 2.2. Используя данные и результаты расчета задачи 2.1, определить эффективные значения фазной и линейной ЭДС первой, третьей, пятой и седьмой гармоник, приняв величину ос­новного магнитного потока Ф = 3/ Z₁ Вб и частоту тока 50 Гц. Рас­считать значения этих ЭДС, если бы шаг обмотки был полным.

Задача 2.3. По данным задачи 2.1 рассчитать параметры и на­чертить развернутую схему трехфазной однослойной обмотки ста­тора с лобовыми соединениями, расположенными в двух плоско­стях. Катушечные группы соединить последовательно, фазные обмотки соединить звездой.

3. АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Задача 3.1. Определить значения ЭДС, индуцируемые вра­щающимся магнитным потоком Ф в обмотке статора Е₁, в непод­вижном и вращающемся роторах E₂ и Е_2s, частоту вращения рото­ра n₂ и частоту тока в роторе f₂, если известны число последовательно соединенных витков фазы обмотки статора w₁, обмоточный коэффициент k_об1, число полюсов 2р, частота тока f₁ = 50 Гц и номинальное скольжение s_ном (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Величины	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Ф,Вб 10-3	45	34	28	82	55	45	58	48	40	75
w1|	96	100	128	48	66	46	60	80	84	40
Kоб1	0,96	0,90	0,94	0,86	0,90	0,96	0,84	0,90	0,96	0,90
Sном	0,02	0,03	0,02	0,04	0,06	0,01	0,04	0,03	0,03	0,02
2р	4	6	8	12	2	4	6	8	6	10

Задача 3.2. Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором серии 4А имеет технические данные, приве­денные в табл. 3.2. Определить высоту оси вращения h, число       по­люсов 2р, скольжение при номинальной нагрузке s_ном, момент на валу М_ном, начальный пусковой М_п и максимальный М_mах моменты, номинальный и пусковой токи I_1ном и I_п в питающей сети при со­единении обмоток статора звездой и треугольником.

Таблица 3.2

Тип двигателя	Варианты
	Рном, кВт	n2нои, об/мин	ηном,%	соs φ1				Uс, В
4А10082УЗ	4,0	2880	86,5	0,89	7,5	2,0	2,5	220/380
4А16082УЗ	15,0	2940	88,0	0,91	7,0	1,4	2,2	220/380
4А200М2УЗ	37,0	2945	90,0	0,89	7,5	1,4	2,5	380/660
4А112М4УЗ	5,5	1445	85,5	0,85	7,0	2,0	2,2	220/380
4А132М4УЗ	11,0	1460	87,5	0,87	7,5	2,2	3,0	220/380
4А180М4УЗ	30,0	1470	91,0	0,89	6,5	1,4	2,3	380/660
4А200М6УЗ	22,0	975	90,0	0,90	6,5	1,3	2,4	220/380
4А280М6УЗ	90,0	985	92,5	0,89	5,5	1,4	2,2	380/660
4А315М8УЗ	110	740	93,0	0,85	6,5	1,2	2,3	380/660
4А355М10УЗ	110	590	93,0	0,83	6,0	1,0	1,8	380/660

Задача 3.3. Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, работающий от сети частотой 50 Гц и напря­жением U₁ (фазное), имеет параметры, приведенные в табл. 3.3: номинальная мощность Р_ном, коэффициент мощности соs φ_1ном, магнитные потери Р_м механические потери Р_мх, активное сопро­тивление фазы обмотки статора r₁ при рабочей температуре, ак­тивное приведенное сопротивление обмотки ротора r^/₂ . Рассчитать данные и построить график зависимости КПД от относительного значения полезной мощности                     η = f (Р₂/ Р_ном). При этом принять добавочные потери равными Р_доб = 0,005 Р₂, а коэффициент мощ­ности считать изменяющимся в функции Р₂/ Р_ном в соответствии с графиком 2 на рис. 13.9.

Таблица 3.3

Задача 3.4. Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором работает от сети переменного тока частотой 50 Гц. При номинальной нагрузке ротор двигателя вращается с частотой n_2ном; перегрузочная способность двигателя λ, а крат­ность пускового момента М_п/ М_ном. Рассчитать данные и построить механическую характеристику двигателя в относительных едини­цах М_* = f (s) (табл. 3.4).

Таблица 3.4

4. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Задача 4.1. Имеется трехфазный синхронный генератор мощ­ностью S_ном с напряжением на выходе U_1ном (обмотка статора со­единена звездой) при частоте тока 50 Гц и частоте вращения n₁. КПД генератора при номинальной нагрузке η_ном (табл. 4.1). Гене­ратор работает на нагрузку с     соs φ_ном = 0,9. Требуется определить активную мощность генератора при номинальной нагрузке Р_ном, ток в обмотке статора I_1ном, требуемую первичному двигателю мощность Р₁ и вращающий момент М₁ при непосредственном механическом соединении валов генератора и первичного двигателя.

Таблица 4.1

center>