ЛЕКЦІЯ 13

ТЕМА 1.7МАШИНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ СПЕЦІАЛЬНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

Машини постійного струму можна використовувати не лише як двигуни та генератори, а й для виконання інших функцій, наприклад, підсилювати та складати різні електричні сигнали, вимірювати частоту обертання виробничих механізмів тощо. Відміна може стосуватись не лише функцій, а і форми, тобто конструкції. Такі машини називаються машинами спеціального призначення. До них відносяться електромашинні підсилювачі, тахогенератори, безколекторні двигуни постійного струму, уніполярні машини, МГД-машини та ціла низка інших машин. Деякі з цих машин будуть розглянуті у цій темі.

1.7.1 ЕЛЕКТОРМАШИННІ ПІДСИЛЮВАЧІ ПОПЕРЕЧНОГО ПОЛЯ

Електромашинний підсилювач (ЕМП) уявляє собою електричну машину постійного струму, що працює в режимі генератора і призначена для підсилення та алгебраїчного складання електричних сигналів. Найпростіший ЕМП – це генератор постійного струму незалежного збудження. Напруга на виході такого генератора залежить від струму збудження, отже, змінюючи струм в колі збудження, можна змінювати напругу на виході генератора. Таким чином, відносно невеликою потужністю в колі збудження можна керувати значною потужністю в колі якоря генератора.

Так як потужність збудження складає (1 – 1,25) % від номінальної потужності генератора, то електромашинні підсилювачі, виконані за принципом генератора незалежного збудження, не знайшли широкого застосування, тому що вони не можуть забезпечити значного коефіцієнта підсилення К n (не більше 80 – 100). Цим коефіцієнтом звичайно є відношення потужності на виході до потужності на вході підсилювача.

Найбільшого поширення в автоматиці отримали електромашинні підсилювачі поперечного поля. На відміну від звичайного генератора постійного струму, в ЕМП основним робочим магнітним потоком є не потік, що створюється обмоткою збудження, а потік поперечної реакції якоря (звідси назва), який створюється струмом обмотки якоря.

У звичайній машині постійного струму щітки розташовуються лише на поперечній осі q₁ – q₂ (геометричній нейтралі), а ЕМП має комплект щіток ще і на повздовжній осі d₁ – d₂ (рис. 1.62). Замість однієї або двох, як у генератора змішаного збудження, обмоток збудження, ЕМП має, як правило, кілька обмоток керування ОК₁ … ОК_n, розташованих на головних полюсах, обмотку додаткових полюсів ОДП, обмотку поперечного підмагнічування [в машинах невеликої потужності, як і на (рис 1.62) така обмотка відсутня] та, обов’язково, компенсаційну обмотку КО. Як і генератор, ЕМП приводиться до обертання привідним двигуном моментом М₁ з кутовою частотою обертання ω.

Якщо до однієї з обмоток керування ОК₁ підвести сигнал керування U_к, то в ній створиться струм І_к, величина якого може регулюватися за допомогою резистора R_рг, та намагнічувальна сила F_к, а в магнітній системі підсилювача виникне незначний магнітний потік Ф_к, направлений по повздовжній осі машини. Цей потік наведе в колі щіток q₁ – q₂ обмотки якоря, відповідну ЕРС E_q, а так як ці щітки замкнені коротко, то струм І_q, що викликається E_q, буде досить значним. Значною буде і намагнічувальна сила F_q, що створиться цим струмом, а також і магнітний потік поперечної реакції якоря Ф_q. Цей потік буде створювати свою ЕРС Е_d, яка знімається із щіток повздовжньої осі d₁ – d₂. При НХ величина цієї ЕРС Е_d рівна напрузі на розімкнених затискачах ЕМП U₀ (рис. 1.63).

Якщо в коло підсилювача ввімкнути навантаження R_н, то між щітками d₁ – d₂ виникне струм навантаження І, який, в свою чергу, створить намагнічувальну силу F_d, а вона, в магнітній системі підсилювача, магнітний потік Ф_d, направлений назустріч потоку Ф_к. Навіть при найменшому навантаженні потік повздовжньої реакції якоря Ф_d, буде більшим від потоку керування Ф_к. Щоб запобігти розмагнічуванню машини, використовується компенсаційна обмотка КО. Вона вмикається таким чином, щоб потік, який нею створюється, був направлений проти потоку Ф_d, тобто співпадав з потоком керування Ф_к. Цим досягається компенсація розмагнічувальної дії повздовжньої реакції якоря. Для повної компенсації необхідно щоб намагнічувальні сили повздовжньої реакції якоря і компенсаційної обмотки були рівними, але розрахувати компенсаційну обмотку так, щоб ця вимога задовольнялась, досить складно, тому паралельно компенсаційній обмотці вмикається змінний резистор R_ш і здійснюється дослідне настроювання необхідного значення намагнічувальної сили компенсаційної обмотки.

Робочі властивості ЕМП у значній мірі визначаються його зовнішніми характеристиками (рис. 1.63), нахил яких суттєво залежить від величини опору R_ш: чим цей опір більший, тим більший струм КО, і навпаки, а отже і режим компенсації розмагнічувальної дії реакції якоря.

Колиреакція якоря повністю скомпенсована, то величина напруги U залежить лише від величини опору в колі щіток d₁ – d₂.

U = E_d – І _* R_d , (1.105)

де R_d – сума електричних опорів повздовжнього кола якоря, враховуючи опір обмотки додаткових полюсів, компенсаційної обмотки та щіткового контакту. Характеристика цього випадку зображується лінією 3. Якщо повздовжня реакція якоря дещо перекомпенсована,то напруга на затискачах підсилювача може залишатися, практично, незмінною, лінія 2. При недокомпенсуванні зовнішня характеристика набуває м’якого характеру, лінія 4. Коли перекомпенсація значна, напруга на затискачах при підвищені навантаження зростає лінія 1, що веде до нестійкої роботи підсилювача та до довільного самозбудження. Це, в кінцевому результаті – до некерованого зростання струму навантаження і виходу підсилювача з ладу. Звичайно підсилювач налаштовується з незначним недокомпенсуванням, при якій падіння напруги складає (12 – 20) % від значення U₀. Підсилювач поперечного поля характеризується двома коефіцієнтами підсилення. На першому етапі К_n1 це співвідношення потужностей поперечної осі та обмотки керування:

К_n1=Р_q / Р_к,(1.106)

де Р_q = Е_{q *} І_q – потужність поперечного кола, Вт; Р_к = U_{к *} І_к – потужність керування, Вт. На другому – К_n2:

К_n2 =Р_d / Р_q, (1.107)

де Р_d = U _* І – потужність навантаження підсилювача, Вт. Загальний коефіцієнт підсилення К_n дорівнює добутку цих коефіцієнтів:

К_n = ^. К_{n1 *} К_n2 (1.108)

Коефіцієнт підсилення ЕМП може досягати (2000 – 20000), але слід пам’ятати, що це підсилення відбувається за рахунок механічної потужності привідного двигуна, яка перетворюється в електричну на виході підсилювача.

ЕМП в сучасних електроприводах практично не використовуються зважаючи на суттєві переваги напівпровідникових підсилювачів, але в приводах, що проектувались в минулому і працюють до сьогодні, наприклад, у електроприводах кар’єрних екскаваторів тощо, вони широко представлені і їх заміна найчастіше виявляється нераціональною.

1.7.2 ТАХОГЕНЕРАТОРИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Тахогенератором називається генератор, що призначений для вимірювання частоти обертання вала за значенням вихідної напруги, а також для отримання електричних сигналів, пропорційних частоті обертання вала в системах автоматичного регулювання.

Тахогенератор постійного струму уявляє собою генератор постійного струму з незалежним магнітоелектричним або електромагнітним збудженням.

Так як при незмінному струмі збудження I_з = const, чи при збудженні постійним магнітом (рис. 1.64), магнітний потік Ф, практично, не залежить від навантаження, вихідна ЕРС Е_вих у відповідністю з (1.20) прямо пропорційна кутовій частоті обертання ω (частоті обертання n):

Е_вих = к' _* n, (1.109)

де к' – коефіцієнт пропорційності між ЕРС та частотою обертання n.

Для вимірювання частоти обертання n вал тахогенератора з’єднується з валом механізму, частота обертання якого вимірюється, а на затискачі якоря вмикається вимірювальний пристрій ВП, шкала якого градуйована в одиницях частоти обертання.

Точність роботи тахогенератора визначається вихідною характеристикою, що уявляє залежність вихідної напруги від частоти обертання при незмінному опорі навантаження (рис. 1.65). Найбільш точна робота тахогенератора відповідає характеристиці 1, але в реальних тахогенераторах вихідна характеристика не прямолінійна (крива 2), до того ж розпочинається не з початку координат, а із значення мінімальної частоти обертання n_min. Основна причина криволінійності – реакція якоря, тому для покращання вихідної характеристики слід вмикати на вихід тахогенератора прилади з великим внутрішнім опором (найчастіше вольтметри магнітоелектричної системи), враховуючи що зниження струму якоря знижує дію реакції якоря. В сучасних тахогенераторах відхилення вихідної характеристики від прямолінійної складає від 0,5 до 3 %.

Падіння напруги в щітковому контакті Δ U_щ створює в тахогенераторі зону нечутливості. Це діапазон частоти обертання від 0 до n_min, в якому вихідна напруга дорівнює нулю. Межа цієї зони визначається виразом

w_min = Δ U_щ /(k _* Ф). (1.110)

Широке використання мають тахогенератори постійного струму, магнітне поле яких створюється постійним магнітом ПМ (рис. 1.64). Ці тахогенератори не мають обмотки збудження тому вони конструктивно простіші, мають менші габарити і вищу надійність роботи.

1.7.3 Безконтактні двигуни постійного струму з магнітоелектричним збудженням

З метою покращити властивості двигунів постійного струму були створені двигуни де традиційний щітково-колекторний вузол замінено на напівпровідниковий інвертор, що керується сигналами, які надходять від безконтактного датчика положення ротора. Обмотка якоря такого двигуна розташована на осерді статора 1, а індуктор уявляє постійний магніт 2 – на роторі (рис. 1.66). В якості датчика положення цього двигуна використовується два датчики ЕРС – датчики Холла 3, які розташовуються в спеціальних пазах двох суміжних полюсів статора при чотириполюсній його конструкції (рис. 1.67). Блок комутації розміщується на спеціальних панелях 5, що відокремлені від двигуна перегородкою 4 і закриті металевим кожухом 6, через який здійснюється живлення відводами 7 від джерела постійного струму. Подібну конструкцію мають безконтактні двигуни постійного струму незначної потужності.

Принцип дії такого двигуна полягає в наступному: обмотка якоря виконана у вигляді восьми котушок, що розташовуються на чотирьох полюсах осердя статора (рис. 1.67), на кожному з яких по дві котушки, що з’єднані не між собою послідовно (рис. 1.68), а з котушками протилежних полюсів так, щоб полюси були різнойменними. Тобто якщо струм протікає по якійсь із котушок від початків П1–П4 до кінців К1–К4, то полюси статора набувають полярність відповідно S та N. При положенні ротора як зображено на (рис. 1.67) в зоні полюса N постійного магніту розташований датчик Холла ДХ₁ (рис. 1.70). Слід зазначити, що датчик Холла (рис.1.69) уявляє собою тонку напівпровідникову пластину з нанесеними на неї контактними площадками (1 – 2) через які здійснюється живлення напругою U₁ та площадками (3 – 4) – де створюється вихідний сигнал U₂. Якщо при протіканні в колі (1 – 2) електричного струму датчик помістити в магнітне поле, то в ньому створиться ЕРС, а на контактах (3 – 4) з’явиться напруга U₂.

Напрям ЕРС, а отже і напруги U₂, залежать від взаємного напряму магнітної індукції В та струму I.

Коли на виході ДХ₁ з’являється сигнал, транзистор VT2 переходить у відкритий стан. В котушці W₂ протікає струм в напрямівід П₂ до К₂. При цьому лівий полюс осердя статора (рис. 1.68) набуде полярності S а правий – N. В результаті взаємодії магнітних полів статора і ротора, останній почне обертатися проти годинникової стрілки і датчик ДХ₂ виявиться в зоні дії магнітного полюса S ротора, що призведе до увімкнення транзистора VT₃ і в котушці W₃ потече струм в такому напрямі, що нижній полюс отримає полярність S а верхній N. Продовжуючи обертатись, ротор повертається на кут 90°, і датчик ДХ₁ попадає у міжполюсний простір, а датчик ДХ₂ залишається в зоні полюса S. Як результат, транзистор VT₂ закривається, а транзистор VT₃ залишається відкритим, а отже, результатне поле статора створюється тільки нижнім S та верхнім N полюсами.

При подальшому обертанні ротора обидва датчики виявляються в зоні полюса S,що призводить до увімкнення транзистора VT₄ (транзистор VT₃ також залишається увімкненим) і появи на статорі полюсів S справа та N зліва. Потім транзистор VT₃ вимкнеться, а VT₁ ввімкнеться. Магнітне поле, що створюється котушками статора таким чином, буде обертовим, яке обертаючись “тягне” за собою ротор.

Напрям обертання ротора може бути змінений зміною полярності U₁, що живить датчик Холла. Зміна полярності напруги живлення U на вході двигуна недопустима, так як веде до припинення роботи комутатора.

Слід відзначити, що ККД такого двигуна більший у порівнянні з колекторним двигуном, що пояснюється зменшенням втрат в щітково-колекторнім вузлі. Також достоїнством безколекторних двигунів є їх висока надійність і довговічність, можливість роботи в умовах широкого діапазону температур навколишнього середовища, у вакуумі, в середовищі значної вологості, у пожежо- і вибухонебезпечних умовах тощо, тобто там, де використання колекторних двигунів неможливо.

Недоліком безконтактних двигунів постійного струму – підвищена вартість, зумовлена наявністю напівпровідникового блока-комутатора, чутливих елементів (датчиків Холла) і постійного магніту.

К4 Н2

а)

1.7.4. МАГНІТОГІДРОДИНАМІЧНІ МАШИНИ

Магнітогідродинамічними (МГД) машинами називаються машини, в яких взаємне перетворення електричної і механічної енергії пов’язане з переміщенням робочого тіла (електропровідного середовища – електроліту, рідкого металу, іонізованого газу – плазми тощо) в магнітному полі. Як і всі електричні машини, МГД-машини оборотні і можуть працювати і як генератори, і як двигуни. Головна

перевага таких машин є відсутність конструктивних механічних частин, що рухаються і простота

перетворення енергії.

Конструктивно МГД-генератор (рис. 1.71) може складатися з магніту 1, розміщених в каналі контактів 3, які омиваються робочим тілом 2 і дають можливість знімати напругу, що створюється індукованою ЕРС. Через канал пропускається іонізований газ – плазма. Плазма складається із продуктів згорання природного палива (вугілля, нафти, газу) і незначних добавок лужних металів, або солей, для підвищення електропровідності. Для збільшення величини ЕРС, що індукується в МГД-генераторі слід застосовувати високі швидкості руху плазми (1000 – 2000) м/с та значну величину індукції магнітного поля (при використанні надпровідникової магнітної системи до 5,8 Тл).

Недоліком МГД-генератора є низький ККД установки, який складає лише (10 – 20) % через те, що температура плазми на виході із робочого каналу не менше 2000 ⁰С. Щоб підвищити ККД МГД-генератор можна об’єднати зі звичайними генераторами, що приводяться до обертання паровими турбінами. Пара для турбін таких турбогенераторів створюється в котлах, що обігріваються відпрацьованою в МГД-генераторах плазмою. Практичного використання МГД-генератори поки що не мають.

МГД-двигуни, на відміну від МГД-генераторів, широко використовуються для перекачування рідких металів. При збудженні полюсів і пропусканні струму через рідкий метал, на останній діє електромагнітна сила, що приводить його до руху.

ЦЕ НЕОБХІДНО ЗАПАМ’ЯТАТИ:

– машини постійного струму можна використовувати як підсилювачі, тахогенератори та інші спеціальні машини;

– в електромашинному підсилювачі поперечного поля підсилення здійснюється за рахунок дії реакції якоря;

– тахогенератори використовуються не тільки для вимірювання частоти обертання валів, а і для створення сигналів зворотного зв’язку в системах автоматичного керування електроприводами;

– в електроприводах, що працюють у пожежонебезпечних, вибухонебезпечних умовах тощо можна використовувати безконтактні двигуни постійного струму;

---

Дата добавления: 2015-07-14