Одноякорный преобразователь

ЛЕКЦИЯ № 24

«Электромашинные преобразователи»

Общие замечания

Для преобразования электрической энергии одного вида в другой наряду со статическими устройствами (трансформаторы, ионные и электронные преобразователи, различные выпрямители) применяются электрические машины.

Общей формой электромашинного преобразователя тока является агрегат, состоящий из двух машин, соединенных механически, но электрически не связанных между собой. Такой агрегат, называемый двигатель-генератором, позволяет преобразовывать род тока, его напряжение, частоту, число фаз.

Если взять, агрегат, состоящий из машины переменного тока (синхронной или асинхронной) и машины постоянного тока, то при использовании первой машины в качестве двигателя, а второй в качестве генератора можно преобразовывать переменный ток в постоянный.

При обратном использовании машин можно преобразовывать постоянный ток в переменный.

При помощи агрегата из двух машин переменного тока можно,, преобразовывать частоту, напряжение и число фаз переменного тока.

Преобразователем тока в узком смысле этого слова является одноякорный преобразователь, позволяющий преобразовывать электрический ток при помощи одного якоря, имеющего только одну обмотку. В этом случае в отличие от двигатель-генератора имеет место непосредственное преобразование электрической энергии без промежуточного ее преобразования в механическую.

Двигатель-генераторы

Двигатель-генераторы обычно применяются для преобразования переменного тока в постоянный (рис. 6-1). В качестве двигателя выбирается асинхронная или синхронная машина. При больших мощностях следует предпочесть синхронную машину, так как она выгоднее асинхронной.

Рис. 6-1 Двигатель-генератор.

В качестве генератора выбирается машина постоянного тока обычно с параллельным или со смешанным возбуждением.

Преимуществами двигатель-генераторов по сравнению с другими электромашинными преобразователями являются: возможность плавного регулирования напряжения в широких пределах, большая надежность в работе, возможность использования серийных нормальных машин (машин общего применения).

Двигатель-генераторы находят себе широкое применение в самых различных областях. Укажем здесь на двигатель-генераторы, которые служат для питания электролитических ванн, где требуется плавное регулирование напряжения в широких пределах. На металлургических и других заводах двигатель-генераторы применяются в качестве агрегатов в системе "генератор — двигатель".

Отметим также многие испытательные лаборатории, где используются двигатель-генераторы, позволяющие, например, при преобразовании постоянного тока в переменный получить плавное регулирование напряжения и частоты переменного тока.

Недостатком двигатель-генераторов является их относительно низкий к.п.д., равный произведению к.п.д. обеих машин.

Можно также при помощи агрегата из двух машин постоянного тока преобразовывать напряжение постоянного тока. Но обычно для этой цели используют одну машину постоянного тока, поместив на ее якоре две обмотки, соединенные каждая со своим коллектором, причем коллекторы помещаются на разных сторонах машины (рис 6-2). Отношение чисел проводников якорных обмоток выбирается в соответствии с заданным отношением напряжений U ₁/ U ₂.

Рис 6-2. Схема одноякорного преобразователя постоянного тока с двумя обмотками на якоре.

Такая машина является одноякорным преобразователем постоянного тока с двумя обмотками на якоре. Она с первичной стороны работает как двигатель, со вторичной стороны как генератор Разность моментов М ₁- М ₂= М двигательной и генераторной обмоток невелика и определяется только магнитными и механическими потерями в машине. В соответствии с этим н.с. обеих обмоток почти полностью взаимно компенсируются

Уменьшение напряжения U ₂ на вторичной стороне при увеличении нагрузки вызывается не только падением напряжения в цепи генераторной обмотки, но и в цепи двигательной обмотки Регулирование напряжения U ₂ при U ₁ = const путем изменения тока возбуждения практически невозможно, так как при этом будет изменяться скорость вращения, и произведение n Ф = E_а  U ₁ останется практически неизменным

Рассмотренные преобразователи получили распространение в радио-установках. Они преобразуют напряжение U ₁ = 12÷24 В в напряжение U ₂ = 750÷1500 В.

Одноякорный преобразователь

Одноякорный преобразователь имеет одну обмотку на якоре и по устройству отличается от машины постоянного тока наличием контактных колец, расположенных обычно со стороны, противоположной коллектору, и соединенных с определенными точками обмотки якоря (рис. 6-3).

Рис. 6-3. Шестифазный одноякорный преобразователь.

Принцип действия одноякорного преобразователя основан на свойстве замкнутой коллекторной обмотки давать одновременно при вращении ее в неподвижном магнитном поле на коллекторе постоянное напряжение, а на кольцах — переменное напряжение

В качестве обмотки якоря обычно применяется петлевая обмотка.

Контактные кольца присоединяются в большинстве случаев через трансформатор к сети переменного тока. В зависимости от числа фаз переменного тока различают однофазные, трехфазные и шестифазные преобразователи.

На рис. 6-4 схематически показан трехфазный преобразователь, для большей простоты двухполюсный с кольцевой обмоткой якоря. Точки присоединения контактных колец на обмотке якоря должны быть сдвинуты на 120 эл. град по отношению друг к другу.

Рис. 6-4. Схема соединений обмотки якоря трехфазного преобразователя с коллектором и кольцами.

При преобразовании переменного тока в постоянный преобразователь получает переменный ток со стороны колец и отдает постоянный ток со стороны коллектора. Со стороны колец он работает как синхронный двигатель, а со стороны коллектора – как генератор постоянного тока, обычно с параллельным возбуждением.

При преобразовании постоянного тока в переменный машина со стороны коллектора работает как двигатель постоянного тока, а со стороны колец — как синхронный генератор.

Ток в обмотке якоря преобразователя можно рассматривать как результат наложения постоянного и переменного токов. Ток якоря, взаимодействуя с магнитным полем машины, создает вращающий момент, который соответствует в основном механическим и магнитным потерям в машине. Определив действительные токи а витках обмотки якоря одноякорного преобразователя и вызванные ими потери, найдем, что суммарные электрические потери в ней при m ≥ 3 и соs фи = 1 имеют меньшие значения, чем в случае, когда по той же обмотке проходит только постоянный или переменный ток, равный току со стороны коллектора или контактных колец.

При работе одноякорного преобразователя напряжения со стороны колец и коллектора связаны определенным соотношением, так как их можно считать равными соответствующим э.д.с. обмотки якоря (падения напряжения в ней практически невелики), которые наводятся одним и тем же магнитным потоком. Таким образом, регулирование напряжения, например, на коллекторе практически может быть осуществлено только путем изменения напряжения на кольцах.

Поперечная н.с. якоря от постоянного тока почти полностью уравновешивается поперечной н.с. от активной составляющей переменного тока. Поэтому условия коммутации одноякорного преобразователя при спокойной нагрузке приближаются к условиям коммутации машины постоянного тока, имеющей компенсационную обмотку. Однако они заметно ухудшаются при резких изменениях нагрузки, так как при этом в коммутационной зоне нарушается указанное равновесие н.с. Они также ухудшаются при асинхронном пуске в ход, обычно применяемом для одноякорных преобразователей, как и для синхронных двигателей.

Одноякорные преобразователи применялись на тяговых трамвайных подстанциях, на подстанциях заводов и фабрик, где требовался постоянный ток (без регулирования его напряжения). В настоящее время они почти всюду вытеснены другими выпрямителями, которые оказались более экономичными и удобными в эксплуатации.

 

ЛЕКЦИЯ № 25

«Коллекторные машины переменного тока»

Общие замечания

Коллекторные машины переменного тока обычно применяются как двигатели, т. е. для преобразования энергии однофазного или трехфазного тока в механическую энергию. Соответственно различают однофазные и трехфазные коллекторные двигатели переменного тока. Ротор их выполняется так же, как якорь машины постоянного тока, — с петлевой или волновой обмоткой, соединенной с коллектором. B статоре рассматриваемых машин имеет место переменное магнитное поле, поэтому он собирается из тонких листов электротехнической стали в отличие от статора машин постоянного тока, ярмо которого обычно выполняется из литой или прокатанной стали.

Коллекторные машины переменного тока, за исключением однофазных двигателей малой мощности, получили незначительное распространение. Они применяются лишь в специальных установках. К недостаткам, препятствующим их широкому распространению, нужно отнести: сложность изготовления и относительно высокую стоимость, необходимость тщательного ухода за коллектором и щетками, меньшую надежность в работе (из-за ухудшенных условий коммутации). Однако в ряде случаев они позволяют решать некоторые задачи, связанные с работой электропривода, более совершенным образом, чем бесколлекторные асинхронные двигатели. По сравнению с последними их преимущества заключаются в том, что они позволяют экономично и плавно регулировать скорость вращения и могут работать с лучшим cos фи.

Однофазные двигатели

Здесь рассмотрим однофазные коллекторные двигатели с последовательным возбуждением. Схема одного из таких двигателей приведена на рис. 7-1, где обозначают: В — обмотку возбуждения, помещенную на главных полюсах; К — компенсационную обмотку, помещенную в пазах статора и предназначенную для компенсации реакции якоря (ротора); Я — якорь (ротор) с наложенными на коллектор щетками; Д — обмотку дополнительных полюсов, зашунтированную активным сопротивлением R.

Рис. 7-1. Схема однофазного двигателя последовательного возбуждения.

Вращающий момент в двигателе получается в результате взаимодействия поля, созданного обмоткой возбуждения, и токов в обмотке ротора. Этот момент и при переменном токе все время направлен в одну сторону, так как одновременно с изменением направления магнитного поля изменяется направление тока в обмотке ротора. Изменение направления вращения ротора осуществляется так же, как для двигателя постоянного тока, например путем переключения концов обмотки возбуждения.

Приведенная на рис. 7-1 схема не отличается в основном от схемы двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Однако для последнего компенсационную обмотку применяют очень редко, только при очень больших мощностях, тогда как для однофазных двигателей ее применяют, начиная с 10—15 кВт и выше. Она компенсирует реакцию ротора (якоря), уменьшает потокосцепление обмотки ротора и, следовательно, ее индуктивное сопротивление, что необходимо для улучшения cos фи двигателя.

Дополнительные полюсы, так же как в машинах постоянного тока, служат для улучшения коммутации. Условия коммутации в однофазном двигателе получаются более тяжелыми, чем в машинах постоянного тока. В этом его существенный недостаток.

Скорость вращения однофазных двигателей последовательного возбуждения может регулироваться, например, при помощи трансформатора Т, имеющего ответвления со вторичной стороны (рис. 7-1). Трансформатор служит в то же время для понижения напряжения, подведенного к двигателю, так как последний должен работать при относительно небольшом напряжении на щетках коллектора.

Широкое распространение получили однофазные двигатели последовательного возбуждения малой мощности (до 100—150 Вт). Они не имеют ни дополнительных полюсов, ни компенсационной обмотки, так как при малой мощности условия коммутации и при 50 Гц получаются вполне удовлетворительными, a cos фи здесь не играет существенной роли. На рис. 7-2 приведена схема одного из таких двигателей. Они могут работать от переменного и постоянного тока, поэтому называются универсальными. При мощности свыше 60—80 Вт иногда делается ответвление от обмотки возбуждения (показано пунктиром на рис. 7-2), позволяющее при работе от переменного тока иметь обмотку возбуждения с меньшим числом витков, что дает ту же скорость вращения, как и при постоянном токе, и повышает использование двигателя. Универсальные двигатели применяются для самых различных целей: для электроинструмента, швейных машин, бормашин, для небольших вентиляторов, пылесосов, как исполнительные двигатели в схемах автоматики и т. д.

Рис. 7-2. Схема универсального двигателя.

 

Трехфазные двигатели

Трехфазные коллекторные двигатели являются коллекторными асинхронными машинами. Они работают при наличии в них вращающегося магнитного поля со скоростью, отличающейся в общем случае от скорости поля. На их роторе помещается обмотка, выполненная так же, как обмотка якоря машины постоянного тока. Из трехфазных коллекторных двигателей на практике получил распространение главным образом двигатель с параллельным возбуждением, получающий питание со стороны ротора. Схема такого двигателя приведена на рис. 7-3. Здесь обозначают: 1 — трехфазную обмотку ротора (главную), соединенную через контактные кольца и щетки с питающей сетью трехфазного тока; 2 — обмотку статора, каждая фаза которой соединена со щетками на коллекторе; 3 — коллекторную обмотку, которая закладывается в те же пазы ротора, что и главная его обмотка. Щетки каждой фазы статора могут сдвигаться или раздвигаться, что осуществляется при помощи подвижных траверс, к которым они прикреплены. На рис. 7-4 правые щетки прикреплены к одной траверсе, левые— к другой. Обе траверсы можно поворачивать во взаимно противоположных направлениях Для этого применяются различные устройства. Одно из них схематически показано на рис. 7-5. Если щетки каждой фазы поставить на одни и те же коллекторные пластины (рис. 7-4), то двигатель будет работать как асинхронный двигатель. От обычного асинхронного двигателя в этом случае он будет отличаться тем, что первичной его обмоткой будет служить обмотка ротора, а вторичной — обмотка статора. Применяя правило правой руки и учитывая относительное перемещение проводников статора и вращающегося поля, найдем направление тока, наведенного в проводниках статора. По правилу левой руки определяется направление электромагнитной силы, действующей на статор. Сила, действующая на ротор, имеет обратное направление. Отсюда найдем, что ротор будет вращаться против направления вращения поля. Скорость поля относительно ротора есть синхронная скорость. Скорость поля относительно статора есть скорость скольжения. Она равна разности скоростей поля относительно ротора и самого ротора.

 

Рис. 7-3. Схема трехфазного коллекторного двигателя параллельного возбуждения с питанием со стороны ротора.

Рис. 7-4. Трехфазный коллекторный двигатель (см. рис. 7-3).

Рис. 7-5. Устройство для поворота щеток во взаимно противоположных направлениях.
К —малые зубчатые колеса; Т —большие зубчатые колеса, прикрепляемые к траверсам; М —маховичок.

При раздвижении щеток на них получается э.д.с., имеющая такую же частоту, как и э.д.с. в обмотке статора, т. е. частоту скольжения. В этом можно убедиться, учитывая то, что поле относительно части обмотки, заключенной между щетками (как бы фиксирующими в пространстве эту часть обмотки), имеет такую же скорость, как и относительно обмотки статора. При указанном на рис. 7-3 соединении щеток с обмоткой статора э.д.с. на щетках — добавочная э.д.с. E _доб — вводится во вторичную цепь двигателя,Она вместе с э.д.с. статора sE ₂ вызывает ток, взаимодействие которого с полем определяет вращающий момент двигателя. Здесь Е ₂— э.д.с. фазы статора при неподвижном роторе, s — скольжение двигателя. Если щетки раздвинуть так, чтобы E _доб была направлена против sE ₂, то скольжение будет увеличиваться. Режим работы устанавливается при некотором скольжении, когда результирующая э. д. с. (sE ₂- E _доб) вызывает ток, достаточный для создания момента, равного тормозящему моменту на валу двигателя. При увеличении E _доб (при большом раздвижении щеток) скорость вращения будет уменьшаться вниз от синхронной.

При регулировании скорости вращения обычного асинхронного двигателя путем введения в его вторичную цепь реостата получается непроизводительная затрата мощности в реостате. В рассматриваемом двигателе соответствующая мощность поступает в коллекторную обмотку, так как сдвиг по фазе между током во вторичной цепи и э.д.с. E _доб больше 90°. Мощность, полученная от статора коллекторной обмоткой возвращается в сеть через трансформаторную связь коллекторной обмотки с главной обмоткой ротора. Этим и обусловлена экономичность регулирования скорости вращения трехфазного коллекторного двигателя путем введения в его вторичную цепь добавочной э.д.с.

При положении щеток, показанном на рис. 7-4, скорость вращения ротора близка к синхронной. Если щетки раздвинуть так, чтобы E _доб была направлена в ту же сторону, что и sE ₂ при положительном скольжении, то скорость вращения будет увеличиваться вверх от синхронной. В этом случае двигатель будет работать с отрицательным скольжением, при котором э.д.с. sE ₂ изменит свое направление. Она будет направлена против E _доб, но будет меньше последней.

Таким образом, раздвигая щетки в ту или другую стороны, можно регулировать скорость вращения двигателя вниз или вверх от синхронной.

Двигатель позволяет также регулировать его cos фи. Для этого нужно изменять по фазе э.д.с. E _доб, что осуществляется путем смещения щеток каждой фазы, например, для улучшения cos фи при скорости ниже синхронной щетки нужно сместить в сторону, обратную направлению вращения, ротора (показано пунктиром на рис. 7-3).

Рассматриваемый трехфазный коллекторный двигатель применяется в текстильной промышленности (для кольцевых прядильных станков), в полиграфической промышленности (для ротационных машин), иногда для металлорежущих станков.

В этом двигателе, так же как и в других коллекторных двигателях переменного тока, условия коммутации получаются более тяжелыми, чем в машинах постоянного тока. Здесь они также определяются значением трансформаторной э.д.с. Е _т, индуктированной в коммутируемой секции вращающимся полем. Она может быть рассчитана по формуле (7-1). Опыт показал, что удовлетворительные условия коммутации могут быть получены, если E _т<2,5 В. С увеличением мощности двигателя возрастает его поток Ф. В связи с этим становится затруднительным получить э.д.с. Е _т, не превышающую 2,5 В. Поэтому трехфазные коллекторные двигатели обычно не строятся на мощность свыше примерно 200—250 кВт.

Идея использования добавочной э.д.с., вводимой во вторичную цепь асинхронной машины с целью экономичного регулирования ее скорости вращения и cos фи, может быть осуществлена при помощи коллекторной машины, помещенной вне магнитного поля асинхронной машины. В этом случае получаются так называемые каскадные включения асинхронной машины с коллекторными машинами, которые, однако, применяются на практике редко.

 

Лекция № 26

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Принцип действия и назначение электрических машин

 

Электрическая машина — это электромеханическое устройство, служащее для взаимного преобразования механической и электриче­ской энергий.

В основе такого преобразования лежат физические за­коны: закон электромагнитной индукции и закон электромагнитной силы.

 

Если проводник перемещать в магнитном поле, так чтобы он пе­ресекал магнитные силовые линии, то в этом проводнике будет наво­дится (индуцироваться) электродвижущая сила (ЭДС).

 

Любая элек­трическая машина состоит из неподвижной части и подвижной (вра­щающейся).

Одна из этих частей создает магнитное поле, а другая — несет на себе рабочую обмотку, представляющую собой систему про­водников.

 

Если к электрической машине подвести механическую энергию, т. е. вращать ее подвижную часть, то в соответствии с зако­ном электромагнитной индукции в ее рабочей обмотке будет индуци­роваться ЭДС.

Если же к выводам этой обмотки подключить какой-либо потребитель электрической энергии, то в цепи возникнет элек­трический ток.

В результате механическая энергия вращения будет преобразовываться в электрическую энергию. Электрические маши­ны, осуществляющие такое преобразование называются электриче­скими генераторами.

Электрические генераторы составляют основу электроэнергетики: их применяют на электростанциях, где они преоб­разуют механическую энергию турбин в электрическую энергию.

 

Закон электромагнитной силы состоит в том, что если в магнит­ное поле перпендикулярно магнитным силовым линиям поместить проводник и пропустить по нему электрический ток, то в результате взаимодействия тока с магнитным полем на проводник будет дейст­вовать механическая сила.

Поэтому если рабочую обмотку электриче­ской машины подключить к источнику электрической энергии, то в ней появится ток, а так как эта обмотка находится в магнитном поле, то на ее проводники будет действовать механические силы.

Под дей­ствием этих сил подвижная часть электрической машины начнет вра­щаться.

При этом электрическая энергия будет преобразовываться в механическую энергию. Электрические машины, осуществляющая такое преобразование, называются электрическими двигателями.

 

Электродвигатели широко используются в электроприводе станков, подъемных кранов, транспорта, бытовых приборов и т. д.

 

Электрические машины обладают свойством обратимости, т. е. любая электрическая машина может работать как в режиме генерато­ра, так и в режиме двигателя.

Все зависит от вида подводимой к ма­шине энергии. Однако обычно каждая электрическая машина имеет конкретное назначение: либо она генератор, либо двигатель.

 

Основой для создания электрических машин и трансформаторов был открытый М. Фарадеем закон электромагнитной индукции. На­чало практического применения электрических машин было положе­но академиком Б. С. Якоби, который в 1834 г. создал конструкцию электрической машины, явившуюся прототипом современного элек­тродвигателя. Практическое применение трансформаторов началось в 1876 г., когда русский ученый П. Н. Яблочков впервые применил трансформаторы для электропитания изобретенных им «электриче­ских свечей» для освещения улиц Петербурга.

Широкому применению электрических машин в промышленном электроприводе способствовало изобретение русским инженером М. О. Доливо-Добровольским (1889 г.) трехфазного асинхронного двигателя, отличавшегося от применявшихся в то время электродви­гателей простотой конструкции и высокой надежностью.

К началу XX века было создано большинство видов электриче­ских машин, применяемых и в настоящее время.

 

 

Классификация электрических машин

 

Разделение электрических машин на генераторы и двигатели яв­ляется принципиальным, так как это определяет направление преоб­разования энергий. Однако применение электрических машин более разнообразно и помимо генераторов и двигателей они используются в качестве преобразователей, усилителей, компенсаторов, информаци­онных датчиков и т. д. Однако целесообразно классифицировать электрические машины не по назначению, а по принципу действия. Тем более, что именно такое разделение электрических машин поло­жено в основу их изучения. Принцип действия электрической маши­ны определяет ее устройство. Поэтому классификация по принципу действия является к тому же и разделением машин по конструкции.

В соответствии с этой классификацией электрические машины разделяются на коллекторные и бесколлекторные, последние разде­ляются на синхронные и асинхронные, кроме того они разделяются на однофазные и трехфазные и т. д. На рис. В.1 представлена диаграмма Классификации электрических машин по принципу действия.

Помимо электрических машин рассматриваются транс­форматоры, которые хотя и не являются электрическими машинами,

но широко применяются в силовых электрических установках совме­стно с электрическими машинами. Отсутствие в трансформаторе вращающихся частей придает ему конструктивную форму, отличаю­щую его от электрической машины. Однако процесс работы транс­форматоров и электрических машин имеет много общего, так как в основу их принципа действия положена единая природа электромаг­нитных процессов.

Основное назначение трансформаторов — преобразование на­пряжения переменного тока. Но применение трансформаторов на практике более разнообразно в качестве специальных трансформа­торных устройств: стабилизаторы, умножители частоты, преобразова­тели числа фаз переменного тока и т. п.

 

Электрические машины, применяемые в системах автоматики, те­лемеханики и вычислительной техники, наиболее разнообразны как по назначению, так и по конструкции. Их разделяют на две группы машин: силовые электродвигатели и электромашинные элементы автоматики.

На рис. В.2 представлена диаграмма классификации электрома­шинных элементов автоматики.

 

Силовые электродвигатели обычно не являются элементами ав­томатической системы, а лишь осуществляют привод какого-либо станка, механизма либо просто рабочего органа, входящего в слож­ную систему.

При этом имеются ввиду электродвигатели сравнитель­но небольшой мощности (обычно мощностью не более 600 ватт), из­готавливаемые сериями и имеющие широкое применение как в уст­ройствах автоматики, так и в бытовых приборах, электроинструменте.

По принципу действия эти электродвигатели разделяются на асин­хронные, синхронные и коллекторные.

 

Электромашинные элементы автоматики составляют весьма раз­нообразную как по назначению, так и по конструктивному исполне­нию группу электрических машин.

Основную часть электромашин­ных элементов составляют: исполнительные двигатели, электрома­шинные усилители, тахогенераторы, машины синхронной связи, вра-

щающиеся трансформаторы.

В отличие от силовых электродвигате­лей они включены в автоматическую систему и реагируют на элек­трические сигналы и механические воздействия, возникающие в этой системе.

 

К электромашинным элементам автоматики предъявляются по­вышенные требования по надежности и точности воспроизведения поступающих сигналов, так как внезапный отказ или ошибка в отра­ботке поступившего сигнала может нарушить работу всей автомати­ческой системы. По этой причине электромашинные элементы авто­матики изготавливают из высококачественных магнитных, проводни­ковых и изоляционных материалов с применением современных тех­нологий.