2_modul_kruglikov

Рис. 6.50. Векторные диаграммы синхронного двигателя, питаемого от преобразователя частоты при постоянном нагрузочном моменте : а — при постоянном угле θ и cos φ = 1; б— при изменении угла θ

т. е. изменять напряжение U, подаваемое к электродвигателю от преобразователя частоты, пропорционально изменению частоты f1. При соблюдении условия (6.52) все стороны треугольника ОАВ (рис. 6.50, а) изменяются пропорционально частоте, а угол 0 остается неизменным. При изменении нагрузки необходимо в соответствии с (6.48) изменять поток возбуждения Фв , т. е. ток возбуждения Iв .

Вентильный двигатель. Принцип частотного регулирования с самосинхронизацией заключается в том, что управление преобразователем частоты осуществляет ся от системы датчиков положения ротора, вследствие чего напряжение подается на каждую фазу двигателя при углах нагрузки θ < 90°. При таком регулировании автоматически обеспечиваются условия устойчивой работы двигателя и его перегрузочная способность определяется только перегрузочной способностью преобразователя частоты.

Синхронные двигатели, регулируемые путем изменения частоты с самосинхронизацией, называют вентильными двигателями; иногда их называют бесколлекторными двигателями постоянного тока. Однако первое название является более правильным, так как эти двигатели могут получать питание от сети как постоянного, так и переменного тока.

При питании вентильного двигателя от сети постоянного тока в преобразователе частоты должны применяться тиристоры с узлами принудительной коммутации. В двигателях малой мощности допустимо применение транзисторов. При питании вентильного двигателя от тиристорного преобразователя частоты, основанного на использовании автономного инвертора напряжения (рис. 6.51, а),преобразователь подключен к источнику постоянного тока и формирует трехфазное напряжение изменяющейся частоты, которое подается на фазы А, В и С обмотки якоря двигателя. К каждой фазе можно подвести положительное (тиристорами Т1, Т2 и Т3) и отрицательное (тиристорами Т4, Т5 и Т6) напряжения.

Если сначала пропускать ток через фазы А и В (открыты тиристоры Т1 и Т5), затем — через В иС (открыты тиристоры Т2 и Т6), потом — через фазы С и А (открыты тиристоры Т3 и Т4) и другие в указанной по-

следовательности, то в машине создается вращающееся магнитное поле.При изменении частоты переключения тиристоров изменяется частота переменного напряжения, подаваемого на фазы обмотки якоря, а

следовательно, и частота вращения ротора. Для замыкания реактивной составляющей тока якоря в преобразователе имеются диодыД1 — Д6, включенные параллельно тиристорам, но в обратном направлении. Коммутация тока в тиристорном преобразователе (переключение тока с одной фазы на другую) требует применения в нем специальных коммутирующих узлов, так как тиристор является не полностью управляе-

мым прибором. Для закрытия тиристора, включенного в цепь постоянного тока, необходимо кратковременно подать на него обратное напряжение определенного значения. В рассматриваемом преобразователе применены два узла принудительной (искусственной) коммутации — по одному для всех тиристоров, присоединяемых соответственно к положительному и отрицательному полюсам источника постоянного тока. Каждый узел состоит из контура L— С и вспомогательных тиристоров.

Закрытие тиристоров T1, T2 и Т3,присоединенных к положительному полюсу, производится контуром L1 — С1. При открытии вспомогательного тиристора T11 конденсатор С1 заряжается через индуктивность L1 до двойного напряжения сети и запирает тиристор Т11. Затем открываются вспомогательные тиристоры Т12, Т22 или Т23 и подают на тиристоры T1, T2 илиТ3 обратное (положительное) напряжение. При этом соответствующий тиристор запирается, а конденсатор С1 разряжается через нагрузку. Аналогично запираются тиристоры Т4, Т5 иТ6.Сначала открывается вспомогательный тиристор Т12 и через индуктивность L2 заряжает конденсатор С2. Затем открываются вспомогательные тиристоры Т24, Т25 или Т26 и присоединяются аноды тиристоров Т4, Т5 или Т6 к отрицательной обкладке конденсатора С2.

Напряжение, подаваемое к якорю вентильного двигателя от преобразователя частоты, является, так же как и при частотном регулировании асинхронного двигателя, несинусоидальным.Поэтому, чтобы уменьшить вредные воздействия высших гармонических напряжения, тока и потока, двигатель необходимо снабдить мощной демпферной обмоткой с малыми активными и индуктивными сопротивлениями. В этом случае высшие гармонические оказывают на синхронный двигатель сравнительно небольшое воздействие. При наличии такой обмотки режимы работы вентильного двигателя можно рассматривать с учетом только первых гармонических тока и напряжения.

Режим работы вентильного двигателя зависит не только от силы тока возбуждения и соотношения между напряжением и частотой. Большое значение имеют также моменты подачи напряжения на фазы двигателя и параметры преобразователя частоты.

Впреобразователе частоты, основанном на использовании инвертора напряжения (рис. 6.51,а),значение выходного напряжения почти не зависит от режима работы двигателя, поэтому регулирование необходимо

вести при постоянстве угла в. Это можно осуществить, определяя с помощью какого-либо датчика положение оси полюсов ротора (а следовательно, и направление вектора É0) и регулируя подачу управляющих импульсов на тиристоры преобразователя так, чтобы выходное напряжение преобразователя подавалось на соответствующие фазы двигателя с некоторым углом опережения β0 ≈ θ (угол регулирования) относительно положения вектора É0для данной фазы. Можно также определять ось результирующего магнитного потока и подавать питание на соответствующую фазу с требуемым углом β0. Оба эти метода имеют свои преимущества и недостатки, обусловленные в основном особенностями применяемых датчиков и управляющих устройств.

Врассматриваемой схеме питания вентильного двигателя угол регулирования β0 практически полностью определяет угол θ. Если положить β0 ≈ θ, то при постоянных значениях частоты питающего напряжения и тока возбуждения (т. е. ω1 и ЭДС E0) формула (6.35) принимает вид

М= [mUE0/(ω1Xсн )] sin θ = cU sin θ = const.

Рис. 6.51. Схемы питания вентильного двигателя от тиристорного преобразователя частоты с инвертором напряжения (а) и тока (б)

Следовательно, при изменении угла регулирования β0 ≈ θ для поддержания неизменным момента М нужно регулировать напряжение U, подводимое к двигателю от преобразователя. На рис. 6.50, б показано несколько положений векторов Ú, Íа и - jÍa Xсн при Е0 = const и различных значениях угла опережения β0 = θ1 векторы Ú1 , Íal и - jÍa1Xсн направлены так, что ток Ía1 совпадает по фазе с напряжением Ú1 и является минимальным; при уменьшении угла β0 до β02 = θ2напряжение, подводимое к двигателю, необходимо увеличить до U2; при этом ток Ía2 будет отставать от Ú2 на угол φ2; при увеличении угла β0 до β03 = θ3 необходимо уменьшать напряжение, подводимое к двигателю до U3, при этом ток Ía3 будет опережать Úп3 на угол φ3. Так как величинаU sinθ на векторной диаграмме (рис. 6.50, б) выражается отрезком АВ, то при изменении угла опережения конец вектора напряжения — Ú перемещается по прямой ВАС, проходящей через точку А и параллельной вектору É0. Ток якоря Iа при таком регулировании может существенно увеличиться, а максимальный момент двигателя в режиме, когда ток Ía отстает от напряжения Úпреобразователя (например, в положениях Ía2 и Ú2), уменьшится. В преобразователе частоты, основанном на использовании инвертора тока, большая индуктивность L в цепи постоянного тока (рис. 6.51, б) позволяет считать ток якоря Iа практически неизменным (ток Iа имеет прямоугольную форму). Вследствие этого угол опережения β0 определяет положение вектора токаÍa на диаграмме двигателя относительно положения вектора ЭДС É0.

Рис. 6.52. Схема питания вентильного двигателя от преобразователя частоты с непосредственной связью (а) и форма кривой выходн ого напряжения преобразователя (б)

Для того чтобы двигатель работал при cos φ = 1, вектор тока Ía должен опережать вектор ЭДСÉ0 на угол β0, который в зависимости от нагрузки составляет 30—60°. Пусковой момент вентильного двигателя максимален при β0 = 0, поэтому в электроприводах с тяжелыми условиями пуска сначала регулирование ведут при β0 = 0, а с возрастанием частоты вращения начинают задавать некоторый угол опережения. При необходимости питания вентильного двигателя от сети трехфазного тока можно применять преобразов атели частоты с непосредственной связью, т. е. без промежуточного выпрямителя (рис. 6.52, а). Преимуществом таких преобразователей является отсутствие узлов принудительной коммутации, так как тиристоры перестают проводить ток после изменения направления напряжения в соответствующей фазе Ас , Вс , Сс источника трехфазного тока. Однако достаточно хорошее приближение формы выходного напряжения к синусоидеи четкое прекращение тока (в необходимый момент) можно получить только в том случае, если источник трехфазного тока имеет частоту в 2 — 3 раза большую, чем выходная частота преобразователя (рис. 6.52, б).

Рис. 6.53. Схема электротрансмиссии автомобиля с вентильными двигателями

Рис. 6.54. Принципиальная схема питания вентильного двигателя от однофазной сети (а)и графики изменения ЭДС и тока в фазе двигателя (б)

Для примера рассмотренного способа питания вентильного двигателя на рис. 6.53 приведена принципиальная схема электротрансмиссии мощного автомобиля. Дизель Д вращает вал трехфазного синхронного генератора СГ повышенной частоты (800 Гц), примерно с постоянной частотой. Напряжение генератора СГ, значение которого регулируется изменением тока возбуждения, подается на тиристорный преобразователь частоты ПЧ, от которого пониженная частота подается к вентильным тяговым двигателям ВД, каждый из которых вращает ось соответствующего колеса. При этом частота тока на выходе преобразователя регулируется в пределах от 0 до 400 Гц.

На рис. 6.54,а приведена схема питания вентильного двигателя от однофазной сети, разработанная для мощных электровозов переменного тока. Однофазный трансформатор электровоза имеет две вторичные обмотки: а1— х1 и а2— х2, средние точки которых соединены между собой дросселем L. К каждой вторичной обмотке подключены шесть тиристоров Т, которые позволяют питать обмотку якоря двигателя трехфазным током, создавая вращающееся магнитное поле. При малой частоте вращения, когда частота выходного напряжения (машинная частота) не превышает 10 Гц, коммутация тиристоров (их запирание) происходит под действием напряжения сети. При повышенных частотах коммутация осуществляется за счет ЭДС, индуцируемых в фазах якоря двигателя, так как включение тиристора, питающего очередную фазу, производится с опережением — в момент времени t1 (рис.

6.54, б).Иными словами, включение тиристора происходит раньше, чем ЭДС в этой фазе приближается к значению, при котором происходит естественная коммутация вентилей, включенных в соседние фазы (момент времени t2). Разность ЭДС по контуру двух фаз, замкнутых накоротко включенными тиристорами одной полярности, обеспечивает закрытие тиристора, питающего ту фазу, в которой индуцируется большая ЭДС. Для нормального закрытия тиристоров практически приходится делать угол опережения β0 равным 30—60°, так как индуктивность фаз довольно велика и ток в тиристорах нарастает и спадает плавно.

Использование рассмотренного способа коммутации тиристоров вентильного двигателя дает возможность обеспечить работу при частоте, равной частоте питающей сети или даже большей ее (при так называемых «сверхсинхронных частотах вращения»). Для того чтобы при повышенных частотах вращения форма кривой тока в фазах двигателя была близка к прямоугольной, между вторичными обмотками трансформатора включают мощный дроссель L,обтекаемый током одного направления. Недостатками рассмотренной схемы питания вентильного двигателя являются сложность системы управления и пониженный КПД (из-за наличия большого дросселя).

Вентильные двигатели, как и асинхронные двигатели с частотным регулированием, являются весьма перспективными. В настоящее время происходит быстрое совершенствование мощных тиристоров, интегральных схем и других полупроводвиковых приборов, которое позволит обеспечить надежную работу преобразователей частоты.

10. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Синхронные двигатели на промышленных предприятиях используют для привода лесопильных рам, компрессорных и вентиляторных установок и др., двигатели малой мощности применяют в системах автоматики, когда требуется строго постоянная частота вращения. Механическая характеристика синхронного двигателя абсолютно жесткая.

Вращающий момент синхронного двигателя зависит от угла 0 между осями полюсов ротора и полем статора и выражается формулой

где Мм - максимальное значение момента.

Зависимость М = f (θ) называется угловой характеристикой синхронной машины (рис. 1). Работа двигателя устойчива на начальном участке угловой характеристики, он работает обычно при θ не более 30 - 35°. При увеличении устойчивость уменьшается, в предельной точке В характеристики (θ = 90о) стабильная работа становится невозможной; момент, соответствующий пределу устойчивости называют максимальным (опрокидывающим) моментом.

Рис. 1. Угловая характеристика синхронного двигателя Если синхронный двигатель нагрузить выше Мм, то ротор двигателя выпадет из синхронизма и произойдет его останов, что является для машины аварийным режимом. Номинальный момент двигателя в 2—3

раза меньше опрокидывающего. Вращающий момент двигателя пропорционален напряжению. Синхронные двигатели более чувствительны к колебаниям напряжения, чем асинхронные.

Пусковые свойства синхронного двигателя характеризуются не только кратностью пускового момента, но и величиной входного момента Мвх, развиваемого двигателем при скольжении 5 % от включения постоянного тока в обмотку возбуждения двигателя. Кратность пускового момента 0,8—1,25, а входной момент близок по величине к пусковому моменту синхронного двигателя.

Относительная сложность пуска синхронных двигателей и сравнительно высокая стоимость аппаратуры автоматического управления ограничивают их применение в промышленности.

Если синхронная машина работает вхолостую (угол θ = 0), то векторы напряжения сети U и ЭДС Е0 в обмотке якоря равны и противоположны по фазе. Увеличением тока в обмотке возб уждения полюсов можно создать перевозбуждение в машине. При этом ЭДС Е0 превышает напряжение сети U, в обмотке якоря возникает ток

где Е — результирующая ЭДС; хс — индуктивное сопротивление обмотки якоря (активным сопротивлением обмотки при качественной оценке режима работы машины обычно пренебрегают).

Ток якоря Iя отстает от результирующей ЭДС Е на угол 90°, а по отношению к вектору напряжения сети он является опережающим на 90° (таким же, как при включении в сеть конденсаторов). Машину, работающую с перевозбуждением, можно использовать для компенсации реактивной мощности, такую машину называют синхронным компенсатором.

12. ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕНЕРАТОРОВ С РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ ВКЛЮЧЕНИЯ ОБМОТОК ВОЗБУЖДЕНИЯ

Свойства генератора постоянного тока определяются в основном способом включения обмотки возбуждения. В зависимости от этого различают генераторы:

снезависимым возбуждением: обмотка возбуждения получает питание от постороннего источника постоянного тока (аккумуляторной батареи, небольшого вспомогат ельного генератора, называемого возбудителем, или выпрямителя);

спараллельным возбуждением: обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря и нагрузке;

споследовательным возбуждением: обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря и нагрузкой;

со смешанным возбуждением: имеются две обмотки возбуждения — параллельная и последовательная; первая подключена параллельно обмотке якоря, а вторая — последовательно с нею и нагрузкой.

Генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением относятся к машинам с самовозбуждением, так как питание их обмоток возбуждения осуществляется от самого генератора.

Все перечисленные генераторы имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмоток возбуждения. Обмотки независимого и параллельного возбуждения изготовляют из провода

Рис. 120. Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением

малого сечения, они имеют большое число витков, обмотку последовательного возбуждения — из провода большого сечения, она имеет малое число витков.

О свойствах генераторов постоянного тока судят по их характеристикам: холостого хода, внешней и регулировочной. Ниже будут рассмотрены эти характеристики для генераторов различного типа.

Генератор с независимым возбуждением. Характерной особенностью генератора с независимым возбуждением (рис. 120) является то, что его ток возбуждения Iв не зависит от тока якоря Iя, а определяется только напряжением UB, подаваемым на обмотку возбуждения, и сопротивлением RBцепи возбуждения. Обычно ток возбуждения невелик и составляет 2—5 % номинального тока якоря. Для регулирования напряжения генератора в цепь обмотки возбуждения часто включают регулировочный реостат Rрв. На тепловозах ток Iв регулируют путем изменения напряжения UB.

Характеристика холостого хода генератора (рис. 121, а) — зависимость напряжения U0 при холостом ходе от тока возбуждения Iв при отсутствии нагрузки Rн т. е. при Iн = Iя = 0 и при постоянной частоте вращения п. При холостом ходе, когда цепь нагрузки разомкнута, напряжение генератора U0равно его э. д. с. Е0 = сЕФn. Так как при снятии характеристики холостого хода частота вращения п поддерживается неизменной, то напряжение U0 зависит только от магнитного потока Ф. Поэтому характеристика холостого хода будет подобна зависимости потока Ф от тока возбуждения Iя(магнитной характеристике магнитной цепи генератора). Характеристику холостого хода легко снять экспериментально, постепенно увеличивая ток возбуждения от нуля до значения, при котором U0 ? 1,25Uном, а затем уменьшая ток возбуждения до нуля. При этом получаются восходящая 1 и нисходящая 2 ветви характеристики. Расхождение этих ветвей объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины. При Iв = 0 в обмотке якоря потоком остаточного магнетизма индуцируется остаточная э. д. с. Еост которая обычно составляет 2—4 % номинального напряжения Uном.

При малых токах возбуждения магнитный поток машины невелик, поэтому в этой области поток и напряжение U0 изменяются прямо пропорционально току возбуждения и начальная часть этой характеристики представляет собой прямую. При увеличении тока возбуждения магнитная цепь генератора насыщается и нарастание напряжения U0 замедляется. Чем больше становится ток возбуждения, тем сильнее сказывается насыщение магнитной цепи машины и тем медленнее возрастает напряжение U0. При очень больших токах возбуждения напряжение U0 практически перестает возрастать.

Характеристика холостого хода позволяет судить о значении возможного напряжения и о магнитных свойствах машины. Номинальное напряжение (указанное в паспорте) для машин общего применения соответствует насыщенной части характеристики («колену» этой кривой). В тепловозных генераторах, требующих регулирования напряжения в широких пределах, используют как криволинейную, так и прямолинейную ненасыщенную часть характеристики.

Э. д. с. машины изменяется пропорционально частоте вращения п, поэтому при n2<n1характеристика холостого хода лежит ниже кривой для п1. При изменении направления вращения генератора изменяется направление э. д. с. Е, индуцированной в обмотке якоря, а следовательно, и полярность щеток.

Внешняя характеристика генератора (рис. 121,6) представляет собой зависимость напряжения U от тока нагрузки Iн = Iя при постоянных частоте вращения п и токе возбуждения Iв. Напряжение генератора U всегда меньше его э. д. с. Е на значение падения напряжения Iя?Rя во всех обмотках, включенных последовательно в цепь якоря.

С увеличением нагрузки генератора (тока обмотки якоря Iя = Iн) напряжение генератора уменьшается по двум причинам: I) из-за увеличения падения напряжения Iя?Rя в цепи обмотки якоря; 2) из-за уменьшения э.

д. с. Е = сЕФn в результате размагничивающего действия потока якоря. Как было установлено в § 29, магнитный поток якоря несколько ослабляет главный магнитный поток Ф генератора, что приводит к некоторому уменьшению его э. д. с. Е при нагрузке по сравнению с э. д. с. Е0 при холостом ходе.

Изменение напряжения при переходе от режима холостого хода к номинальной нагрузке в рассматриваемом генераторе составляет 3—8 % от U0.

Если замкнуть внешнюю цепь на очень малое сопротивление, т. е. произвести короткое замыкание генератора, то напряжение его падает до нуля. Ток в обмотке якоря Iк при коротком замыкании достигнет недопустимого значения, при котором может перегореть обмотка якоря. В машинах малой мощности ток короткого замыкания может в 10—15 раз превысить номинальный ток, в машинах большой мощности это соотношение может достигать 20—25.

Рис. 121. Характеристики генератора с независимым возбуждением: а — холостого хода; б — внешняя; в — регулировочная

Рис. 122. Принципиальная схема генератора с параллельным возбуждением (а) и внешние характеристики генераторов с независимым и параллельным воз-

буждением (б)

Регулировочная характеристика генератора (рис. 121, в) представляет собой зависимость тока возбуждения Iв от тока нагрузки Iн при неизменном напряжении U и частоте вращения п. Она показывает, как надо регулировать ток возбуждения, чтобы поддерживать постоянным напряжение генератора при изменении нагрузки. Очевидно, что в этом случае по мере роста нагрузки нужно увеличивать ток возбуждения. Достоинствами генератора с независимым возбуждением являются возможность регулирования напряжения в широких пределах от 0 до Umах путем изменения тока возбуждения и малое изменение напряжения генератора под нагрузкой. Однако он требует наличия внешнего источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения.

Генератор с параллельным возбуждением. В этом генераторе (рис. 122, а) ток обмотки якоря Iяразветвляется во внешнюю цепь нагрузки Rн (ток Iн) и в обмотку возбуждения (ток Iв); ток Iв для машин средней и большой мощности составляет 2—5 % номинального значения тока в обмотке якоря. В машине используется принцип самовозбуждения, при котором обмотка возбуждения получает питание непосредственно от обмотки якоря генератора. Однако самовозбуждение генератора возможно только при выполнении ряда условий.

1.Для начала процесса самовозбуждения генератора необходимо наличие в магнитной цепи машины потока остаточного магнетизма, который индуцирует в обмотке якоря э. д. с. Eост. Эта э. д. с. обеспечивает протекание по цепи «обмотка якоря — обмотка возбуждения» некоторого начального тока.

2.Магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, должен быть направлен согласно с магнитным потоком остаточного магнетизма. В этом случае в процессе самовозбуждения будет нарастать ток возбужде-

ния Iв и, следовательно, магнитный поток Ф машины э. д. с. Е. Это будет продолжаться до тех пор, пока из-за насыщения магнитной цепи машины не прекратится дальнейшее увеличение Ф, а следовательно, Е и Iв. Совпадение по направлению указанных потоков обеспечивается путем правильного присоединения обмотки возбуждения к обмотке якоря. При неправильном ее подключении происходит размагничивание машины (исчезает остаточный магнетизм) и э. д. с. Е уменьшается до нуля.

3.Сопротивление цепи возбуждения RB должно быть меньше некоторого предельного значения, называемого критическим сопротивлением. Поэтому для быстрейшего возбуждения генератора рекомендуется при включении генератора в работу полностью выводить регулировочный реостат Rрв, включенный последовательно с обмоткой возбуждения (см. рис. 122, а). Это условие ограничивает также возможный диапазон регулирования тока возбуждения, а следовательно, и напряжения генератора с параллельным возбуждением. Обычно уменьшать напряжение генератора путем увеличения сопротивления цепи обмотки возбуждения

можно лишь до (0,6-0,7) Uном

Следует отметить, что для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы процесс увеличения его э. д. с. E и тока возбуждения Iв происходил при работе машины в режиме холостого хода. В противном случае из-за малого значения Eост и большого внутреннего падения напряжения в цепи обмотки якоря напряжение, подаваемое на обмотку возбуждения, может уменьшиться почти до нуля и ток возбуждения не сможет увеличиться. Поэтому нагрузку к генератору следует подключать только после установления на его зажимах напряжения, близкого к номинальному.

При изменении направления вращения якоря изменяется полярность щеток, а следовательно, и направление тока в обмотке возбуждения; в этом случае генератор размагничивается. Во избежание этого при изменении направления вращения необходимо переключить провода, присоединяющие обмотку возбуждения к обмотке якоря.

Внешняя характеристика генератора (кривая 1 на рис. 122, б) представляет собой зависимость напряжения U от тока нагрузки Iн при неизменных значениях частоты вращения п и сопротивления цепи возбуждения RB. Она располагается ниже внешней характеристики генератора с независимым возбуждением (кривая 2). Объясняется это тем, что кроме тех же двух причин, вызывающих уменьшение напряжения с ростом нагрузки в генераторе с независимым возбуждением (падение напряжения в цепи якоря и размагничивающее действие реакции якоря), в рассматриваемом генераторе существует еще третья причина — уменьшение тока возбуждения. Так как ток возбуждения IB = U/RB, т. е. зависит от напряжения U машины, то с уменьшением напряжения по указанным двум причинам уменьшается магнитный поток Ф и э. д. с. генератора Е, что при-

водит к дополнительному уменьшению напряжения. Максимальный ток Iкр, соответствующий точке а, называется критическим. При коротком замыкании обмотки якоря ток Iк генератора с параллельным возбуждением мал (точка б), так как в этом режиме напряжение и ток возбуждения равны нулю. Поэтому ток короткого замыкания создается только э. д. с. от остаточного магнетизма и составляет (0,4 -0,8) Iном. Внешняя характеристика точкой а делится на две части: верхнюю — рабочую и нижнюю — нерабочую. Обычно используется не вся рабочая часть, а только некоторый ее отрезок. Работа на участке аб внешней характеристики неустойчива; в этом случае машина переходит в режим, соответствующий точке б, т. е. в режим короткого замыкания.

Характеристику холостого хода генератора с параллельным возбуждением снимают при независимом возбуждении (когда ток в якоре Iя = 0), поэтому она ничем не отличается от соответствующей характеристики для генератора с независимым возбуждением (см. рис. 121, а). Регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением имеет такой же вид, как и характеристика для генератора с независимым возбуждением (см. рис. 121, в).

Генераторы с параллельным возбуждением применяют для питания электрических потребителей в пассажирских вагонах, автомобилях и самолетах, в качестве генераторов управления на электровозах, тепловозах и моторных вагонах и для заряда аккумуляторных батарей.

Генератор с последовательным возбуждением. У этого генератора (рис. 123, а) ток возбуждения Iв равен току нагрузки Iн = Iя и напряжение сильно изменяется при изменении тока нагрузки. При холостом ходе в генераторе индуцируется небольшая э. д. с. Еост создаваемая потоком остаточного магнетизма (рис. 123, б). С увеличением тока нагрузки Iн = Iв = Iя возрастают магнитный поток, э. д. с. и напряжение генератора; это возрастание, как и у других самовозбуждающихся машин (генератора с параллельным возбуждением), продолжается до известного предела, обусловленного магнитным насыщением машины. При увеличении тока нагрузки свыше Iкр напряжение генератора начинает уменьшаться, так как магнитный поток возбуждения из-за насыщения почти перестает увеличиваться, а размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в цепи обмотки якоря Iя?Rя продолжают возрастать. Обычно ток Iкр значительно больше номинального тока. Генератор может работать устойчиво только на части аб внешней характеристики, т. е. при токах нагрузки, больших номинального.

Так как в генераторах с последовательным возбуждением напряжение сильно изменяется при изменении нагрузки, а при холостом ходе близко в нулю, они непригодны для питания большинства электрических потребителей. Используют их лишь при электрическом (реостатном) торможении двигателей с последовательным возбуждением, которые при этом переводятся в генераторный режим.

Генератор со смешанным возбуждением. В этом генераторе (рис. 124, а) чаще всего параллельная обмотка возбуждения является основной, а последовательная — вспомогательной. Обе обмотки находятся на одних полюсах и соединены так, чтобы создаваемые ими магнитные потоки складывались (при согласном включении) или вычитались (при встречном включении).

Генератор со смешанным возбуждением при согласном включении его обмоток возбуждения позволяет получить приблизительно постоянное напряжение при изменении нагрузки. Внешняя характеристика генера-

тора (рис. 124, б) может быть в первом приближении представлена в виде суммы характеристик, создаваемых каждой

Рис. 123. Принципиальная схема генератора с последовательным возбуждением (а) и его внешняя характеристика (б)

Рис. 124. Принципиальная схема генератора со смешанным возбуждением (а) и его внешние характеристики (б)

обмоткой возбуждения. При включении только одной параллельной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв1, напряжение генератора U постепенно уменьшается с ростом тока нагрузки Iн(кривая 1). При включении одной последовательной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв2 = Iн напряжение U возрастает с увеличением тока Iн (кривая 2). Если подобрать число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое ею напряжение ?Uпосл компенсировало суммарное падение напряжения ?U при работе машины с одной только параллельной обмоткой, то можно добиться, чтобы напряжение U при изменении тока нагрузки от нуля до номинального значения оставалось почти неизменным (кривая 3). Практически оно изменяется в пределах 2—3 %. Увеличивая число витков последовательной

обмотки, можно получить характеристику, при которой напряжение Uном будет больше напряжения U0 при холостом ходе (кривая 4); такая характеристика обеспечивает компенсацию падения напряжения не только во внутреннем сопротивлении цепи якоря генератора, но и в линии, соединяющей его с нагрузкой. Если последовательную обмотку включить так, чтобы создаваемый ею магнитный поток был направлен против потока параллельной обмотки (встречное включение), то внешняя характеристика генератора при большом числе витков последовательной обмотки будет круто падающей (кривая 5).

Встречное включение последовательной и параллельной обмоток возбуждения применяют в сварочных генераторах, работающих в условиях частых коротких замыканий. В таких генераторах при коротком замыкании последовательная обмотка почти полностью размагничивает машину и уменьшает ток к. з. до значения, безопасного для генератора. Генераторы со встречно включенными обмотками возбуждения используют на некоторых тепловозах в качестве возбудителей тяговых генераторов; они обеспечивают постоянство мощности, отдаваемой генератором. Такие возбудители применяют также на электровозах постоянного тока. Они питают обмотки возбуждения тяговых двигателей, которые при рекуперативном торможении работают в генераторном режиме, и обеспечивают получение круто падающих внешних характеристик (см. § 37).

11.ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА:УСТРОЙСТВО,ПРИНЦИП РАБОТЫ

Генератор постоянного тока — электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока.

Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции — индуцировании электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле. Допустим, что однородное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом вращается вокруг своей оси в проводящем контуре (проволочной рамке) с равномерной угловой скоростью . Две равные порознь вертикальные стороны контура (см. рисунок) являютсяактивными, так как их пересекают магнитные линии магнитного поля. Две равные порознь горизонтальные стороны контура — не активные, так как магнитные линии магнитного поля их не пересекают, магнитные линии скользят вдоль горизонтальных сторон, электродвижущая сила в них не образуется.

рис.в прямоугольном контуре вращается постоянный магнит

В каждой из активных сторон контура индуктируется электродвижущая сила, величина которой определяется по формуле:

и , где

и — мгновенные значения электродвижущих сил, индуктированных в активных сторонах контура, в вольтах;

— магнитная индукция магнитного поля в вольт-секундах на квадратный метр (Тл, Тесла);

— длина каждой из активных сторон контура в метрах;

— линейная скорость, с которой магнитные линии магнитного поля движутся по окружности радиусом в метрах в секунду;

— время в секундах;

и — углы, под которыми магнитные линии пересекают активные стороны контура.

Так как электродвижущие силы, индуктированные в активных сторонах контура, действуют согласно друг с другом, то результирующая электродвижущая сила, индуктируемая в контуре, будет равна , то есть индуктированная электродвижущая сила в контуре изменяется по синусоидальному закону.

Если в контуре вращается однородное магнитное поле с равномерной угловой скоростью, то в нём индуктируется синусоидальная электродвижущая сила.

Если концы активных сторон контура присоединить не к контактным кольцам (как это делается в генераторах переменного тока), а к полукольцам с изолированными промежутками между ними (как показано на рисунке 2) то тогда рамка с током будет давать во внешнюю цепь выпрямленное электрическое напряжение.

При вращении контура вместе с ним вращаются и полукольца вокруг их общей оси. Токосъём с полуколец осуществляется щётками. Так как щётки неподвижны, то они попеременно соприкасаются то с одним, то с другим полукольцом. Обмен полукольцами происходит в тот момент, когда синусоидальная электродвижущая сила в контуре переходит через своё нулевое значение. В результате каждая щётка сохраняет свою полярность неизменной. Если на полукольцах имеется некоторое синусоидальное напряжение, то на щётках оно уже становится выпрямленным (в данном случае пульсирующим). На практике в генераторах постоянного тока применяют не один проволочный контур, а значительно их большее количество, вывод от каждого конца каждого контура присоединяется к собственной контактной пластине, отделённой от соседних пластин изолирующими промежутками. Совокупность контактных пластин и изолирующих промежутков называетсяколлектор, контактная пластина носит название коллекторная пластина. Весь узел в сборе (коллектор, щётки и держатели щёток) называется щёточно-коллекторный узел. Материал, из которого изготавливаютизолятор между коллекторными пластинами подбирается таким образом, чтобы его твёрдость приблизительно равнялась твёрдости коллекторных пластин (для равномерного износа). Применяется, как правило, миканит(прессованная слюда). Коллекторные пластины, как правило, изготавливают из меди.

Остов (статор) генератора называется ярмо. К ярму прикреплены сердечники электромагнитов, крышки с подшипниками, в которых вращается вал генератора. Ярмо изготавливается из ферромагнитного материала (литая сталь). На сердечники электромагнитов насажены катушки возбуждения. Чтобы придать магнитным линиям магнитного поля необходимое направление, сердечники электромагнитов снабжаютсяполюсными наконечниками. Электромагниты, питаемые постоянным током (током возбуждения) создают в генераторе магнитное поле. Катушка возбуждения состоит из витков медной изолированной проволоки, намотанной на каркас. Обмотки катушек возбуждения соединены друг с другом последовательно таким образом, что любые два соседних сердечника имеют разноимённую магнитную полярность.

Вращающаяся часть генератора (ротор) называется якорь. Сердечник якоря изготавливается из электротехнической стали. Во избежание потерь на вихревые токи сердечник якоря собирается из отдельных стальных листов зубчатой формы, которые образуют впадины (пазы). Во впадины укладывается якорная (силовая) обмотка. В маломощных генераторах якорная обмотка изготавливается из медной изолированной проволоки, в мощных — из медных полос прямоугольной формы. Чтобы под действием центробежных сил якорная обмотка не была вырвана из пазов её закрепляют на сердечнике бандажами. Обмотка якоря наносится на сердечник так, что каждые два активных проводника, соединённых непосредственно и последовательно друг с другом, лежат под разными магнитными полюсами. Обмотка называется волновой, если провод проходит поочерёдно под всеми полюсами и возвращается к исходному полюсу, и петлевой, если провод, пройдя под «северным» полюсом, а затем под соседним «южным» полюсом, возвращается на прежний «северный» полюс.

Чтобы пластины коллектора и изолирующие миканитовые (слюдяные) пластины между ними не были вырваны центробежными силами из своих гнёзд — в нижней части они имеют крепление «ласточкин хвост». Щётки, как правило, изготавливают из графита. Минимальное число щёток в генераторе постоянного тока равно двум: одна является положительным полюсом генератора (положительная щётка), другая — отрицательным полюсом (отрицательная щётка). В многополюсных генераторах число пар щёток обычно равняется числу пар полюсов, что обеспечивает лучшую работу генератора. Щётки одинаковой полярности (одноимённые щётки) электрически соединены друг с другом.

Щётка одновременно перекрывает две или три коллекторные пластины, это уменьшает искрение на коллекторе под щётками (улучшается коммутация). Щёткодержатель обеспечивает постоянный прижим щёток вогнутой стороной к цилиндрической поверхности коллектора.

13) ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА ШИРОКО ПРИМЕНЯЮТСЯ В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

Значительное распространение электродвигателей постоянного тока объясняется их ценными качествами: высокими пусковым, тормозным и перегрузочным моментами, сравнительно высоким быстродействием, что важно при реверсировании и торможении, возможностью широкого и плавного регулирования частоты вращения.

Электродвигатели постоянного тока используют для регулируемых приводов, например, для приводов различных станков и механизмов. Мощности этих электродвигателей достигают сотен киловатт. В связи с автоматизацией управления производственными процессами и механизмами расширяется область применения маломощных двигателей постоянного тока общего применения мощностью от единиц до сотен ватт.

В зависимости от схемы питания, обмотки возбуждения машины постоянного тока разделяются на несколько типов (с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением). Ежегодный выпуск машин постоянного тока в РФ значительно меньше выпуска машин переменного тока, что обусловлено дороговизной двигателей постоянного тока.

Вначале создавались машины постоянного тока. В дальнейшем они в значительной степени были вытеснены машинами переменного тока. Благодаря возможности плавного и экономичного регулирования скорости вращения двигатели постоянного тока сохраняют свое доминирующее значение на транспорте, для привода металлургических станков, в крановых и подъемно-транспортных механизмах. В системах автоматики машины постоянного тока широко используются в качестве исполнительных двигателей, двигателей для привода лентопротяжных самозаписывающих механизмов, в качестве тахогенераторов и электромашинных усилителей.

2. Устройство и принцип действия двигателей постоянного тока

Устройство машин постоянного тока (генераторов и двигателей) в упрощенном виде показано на рис.1. К стальному корпусу 1 статора машины прикреплены главные 2 и дополнительные 4 полюса. На главных полюсах расположена обмотка возбуждения 3, на дополнительных - обмотка дополнительных полюсов 5. Обмотка возбуждения создает магнитный поток Ф машины.