Специальные машины постоянного тока

Здесь рассматриваются специальные машины постоянного тока, имеющие наиболее важное значение в теоретическом и практическом отношениях. По схемам соединений их обмоток, а иногда и по конструкции они отличаются от нормальных машин. Большинство же машин постоянного тока, используемых для специальных целей, от нормальных машин не отличаются.

а) Униполярные машины

Идея униполярной машины должна быть понятна из рассмотрения рис. 4.30.

Рис. 4.30. К пояснению идеи униполярной машины дискового типа

Можно себе представить что изображенный здесь диск состоит из очень большого числа проводников в виде секторов S. Каждый из них при вращении все время будет находиться в поле одной и той же полярности; следовательно, наведенная в нем ЭДС все время будет направлена в одну сторону. При выбранных направлениях поля и вращения она всегда направлена от центра к периферия диска.

При вращении диска на смену одним проводникам будут приходить в соприкосновение со щетками другие проводники и мы будем получать постоянный ток.

По типу этой дисковой униполярной машины проф. Б.И. Угримовым (1906 г.) был спроектирован и построен униполярный генератор на 10000 А, 10 В при 10000 об/мин. Однако такой генератор работал неудовлетворительно, так как не удалось преодолеть затруднения, связанные с выполнением надежных контактов щеток с диском на его периферии, где скорость доходила до 170 м/с. К его недостаткам надо также отнести необходимость применения специальных подшипников (например, гребенчатых), которые могли бы удовлетворительно работать при больших осевых усилиях. Последние обусловлены односторонним магнитным притяжением из-за неизбежного различия зазоров между полюсами и вращающимся диском.

б) Сварочный генератор с двойной полюсной системой

Рассматриваемая машина иначе называется сварочным генератором с «расщепленными» полюсами. Одна из них схематически представлена на рисунке 4.31. Здесь мы имеем двойную полюсную систему N₁—N₂ и S₁—S₂, причем полюсы N₁ и S₁ слабо насыщены, а полюсы N₂ и S₂ сильно насыщены (их сердечники имеют сравнительно небольшое сечение). Обмотка возбуждения присоединена к главной щетке В и к вспомогательной щетке b, помещенной между главными щетками А и В, находящимися на геометрической нейтрали.

Рис. 4.31. Сварочный генератор

При нагрузке, когда в якорной обмотке будет иметь место ток I_а, создается поперечная реакция якоря, которая будет размагничивать полюс N₁ (набегающую половину двойного полюса N₁—N₂) и подмагничивать полюс N₂ (сбегающую половину двойного полюса N₁—N₂). To же будем иметь для двойного полюса S₁—S₂. Так как полюсы N₁ и S₁ слабо насыщены, то их потоки сильно уменьшатся, потоки же полюсов N₂ и S₂ останутся почти без изменения, так как эти полюсы имеют сильное насыщение. В результате получим большое уменьшение напряжения U на щетках А—В. Напряжение U_в на щетках b—В почти не изменяется, так как оно зависит от потоков полюсов N₂ и S₂.

Внешние характеристики сварочного генератора показаны на рисунке 4.32. Они достаточно благоприятны для целей электрической сварки. Установка наибольшего тока (тока короткого замыкания) достигается при помощи реостата в цепи возбуждения, показанного на рисунке 4.31. Реактивная катушка L в цепи якоря служит для сглаживания тока при его резких колебаниях.

Рис 4.32. Внешние характеристики сварочного генератора

в) Электромашинные усилители

В последние годы в автоматических устройствах, наряду с усилителями - электронными, тиратронными, магнитными, гидравлическими — находят себе все более широкое применение электромашинные усилители, позволяющие получить на выходе большие мощности при незначительной мощности управления.

Обыкновенный генератор с независимым возбуждением может рассматриваться как усилитель. В этом случае мы должны считать мощность, подведенную к обмотке возбуждения, за «входную» Р_вх (или мощностью управления), а мощность на зажимах якоря - за «выходную» Р_вых.

Отношение Р_вых/Р_вх=k_у называется коэффициентом усиления. Для нормальных машин небольшой мощности (0,5…30 кВт) k_у=15…50, т.е. в таких машинах мы получаем «усиление» мощности в 15…50 раз (конечно, за счет мощности первичного двигателя, которым должен приводиться во вращение всякий электромашинный усилитель).

Можно при помощи двух генераторов независимого возбуждения получить двухступенчатый усилитель (рис. 4.33). Здесь общий коэффициент усиления будет равен произведению коэффициентов усиления отдельных машин k_y=k'_yk"_y. Он будет, следовательно, значительно больше, чем в предыдущем случае; для нормальных машин при мощности на выходе порядка 30 кВт k_у=1000…1200.

Рис. 4.33. Двухступенчатый усилитель, полученный из двух генераторов независимого возбуждения

Рассмотренные усилители во многих случаях малопригодны для автоматических устройств. Основным их недостатком является большая «инерционность» цепей возбуждения, имеющих большие индуктивности. Следовательно, здесь мы не будем иметь быстро-отзывчивой реакции на изменение входной мощности Р_вх, что обычно требуется от усилителей. Кроме того, даже двухступенчатый усилитель, состоящий из двух обыкновенных генераторов, имеет недостаточный коэффициент усиления, особенно при малой мощности генераторов.

Отмеченные недостатки в значительно меньшей степени проявляются в электромашинном усилителе поперечного поля, называемом сокращенно ЭМУ поперечного поля. Схема соединения его обмоток показана на рисунке 4.34.

Рис. 4.34. Схема ЭМУ поперечного поля

ЭМУ поперечного поля представляет собой коллекторную машину постоянного тока (обычно двухполюсную). Ее якорь не отличается от якоря нормальной машины, статор выполняется явно- или неявнополюсным. На коллектор накладываются две пары щеток: поперечные b—b и продольные a—a. Поперечные щетки b—b обычно замыкаются накоротко. На статоре помещаются обмотки возбуждения У₁, У₂, У₃, …, называемые обмотками управления, и компенсационная обмотка K, действующая по той же оси, что и обмотки управления, т. е. по продольной оси машины. Продольные щетки а—а являются рабочими щетками; от них берется выходная мощность, подводимая, например, к исполнительному двигателю. Работа ЭМУ поперечного поля протекает следующим образом.

Ток в обмотке У₁ (или токи обмоток У₁, У₂, У₃, …) создает продольный поток, который будет наводить в обмотке якоря при его вращения ЭДС. Ее наибольшее значение будем иметь на щетках b—b, поставленных на геометрической нейтрали; на щетках а—а она равна нулю. Так как щетки b—b замкнуты, то в обмотке якоря возникнет ток i_b, причем достаточно иметь очень небольшой продольный поток, чтобы этот ток был большим. Ток i_b, протекая по обмотке якоря, создает сильное поперечное поле, которое при вращении якоря будет наводить ЭДС на щетках а—а. Таким образом, это поле является рабочим полем машины, что и дало повод к ее названию. Ток i_a, поступающий во внешнюю цепь, проходит и по обмотке якоря и создает н.с., действующую против н.с. обмотки У₁. Мы в этом можем убедиться, определяя при заданном направлении потока обмотки У₁ направления созданных им токов i_b и затем токов i_a, созданных поперечным потоком (отметим, что полярность щеток а—а при данном направлении продольного потока не зависит от направления вращения якоря, так как при его изменении изменится по направлению ток i_b, а следовательно, и поперечный поток).

Намагничивающая сила якоря от токов i_a должна быть, очевидно, скомпенсирована, что достигается при помощи компенсационной обмотки К, по которой проходит ток i_a (или часть этого тока). Компенсация должна быть возможно более полной, так как в противном случае работа ЭМУ не может быть точной в отношении «управления мощностью» Р_вых. Поэтому иногда требуется опытным путем устанавливать необходимый ток в обмотке К при помощи шунтирующего ее реостата R. Здесь приходится считаться с действием продольной н.с. коммутируемых щетками b—b секций, созданной протекающими по ним добавочными токами при замедленной коммутации. В нормальных машинах мы этой н.с. обычно пренебрегаем, так как она мала по сравнению с н.с. обмотки возбуждения. В ЭМУ она может быть соизмерима с н.с. обмотки У₁ и, следовательно, должна учитываться.

В ЭМУ поперечного поля получается двухступенчатое усиление мощности, причем здесь коэффициент усиления k_у может иметь очень высокие значения. Однако на практике он не превышает 10000.

Весьма ценным свойством ЭМУ поперечного поля является его малая «инерционность» и, следовательно, быстроотзывчивая реакция на изменение мощности, поступающей в обмотки управления. Эти обмотки имеют малые индуктивности в соответствии с малым потоком, создаваемым ими, и относительно большие омические сопротивления. Индуктивность обмотки якоря также относительно невелика.

Контрольные вопросы по теме:

1. Почему полюсы и станину машины постоянного тока выполняют из толстой листовой стали, а якорь набирают из тонких дисков?

2. В чём основное преимущество двигателей постоянного тока перед двигателями переменного тока?

3. С помощью чего в машинах постоянного тока осуществляется выпрямление переменной ЭДС якорной обмотки?

4. Какое влияние на магнитное состояние машины постоянного тока оказывает реакция якоря?

5. Какие меры могут быть предусмотрены в машинах постоянного тока для предотвращения нежелательного действия реакции якоря?

6. Какова роль добавочных полюсов в машинах постоянного тока?

7. Как включают обмотку якоря и обмотку добавочных полюсов в машинах постоянного тока?

8. Чем отличаются обмотки возбуждения машин имеющих разные способы возбуждения?

9. Чем отличается сварочный генератор постоянного тока от обычного генератора?

10. Какие двигатели постоянного тока имеют жёсткую механическую характеристику, а какие мягкую?

11. Какой из двигателей постоянного тока с одинаковыми номинальными данными имеет параллельное, и какой последовательное возбуждение, если частота вращения первого из них при нагрузке равной половине номинальной значительно больше, чем второго, а при нагрузке больше номинальной, частота вращения первого двигателя оказалось меньше чем второго?

12. В каком из двигателей постоянного тока с различными способами возбуждения при одинаковом пусковом токе можно получить больший пусковой момент?

13. Почему пуск двигателей постоянного тока должен осуществляться через токоограничивающие пусковые устройства?

14. Почему не изменится направление вращения двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением при изменении полярности подводного к нему напряжения?

15. Как реверсировать двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением?

16. Как можно регулировать скорость двигателя с параллельным возбуждением?

17. Чем обеспечивается универсальность однофазных коллекторных двигателей?

18. Почему при включении универсального коллекторного двигателя в сеть постоянного тока нужно увеличивать число витков обмотки возбуждения?

19. Почему универсальные коллекторные двигатели выполняют с последовательной обмоткой возбуждения?

20. Преимущества и недостатки коллекторных двигателей.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Копылов, И.П. Электрические машины: Учебник для вузов. / И.П. Копылов. – 5-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2006. – 607 с.

2. Вольдек, А.И. Электрические машины. / А.И. Вольдек, В.В. Попов. - СПб.:Питер, 2008. – 320 с.

3. Сукманов, В.И. Электрические машины и аппараты. / В.И. Сукманов. - М.:Колос, 2001. – 296 с.

4. Алиев, И.И. Асинхронные двигатели. / И.И. Алиев. – М.:ИП РадиоСофт, 2004. – 128 с.

5. Кацман, М.М. Справочник по электрическим машинам. / М.М. Кацман. - М: Академия, 2005. – 480 с.