Глава одиннадцатая специальные типы машин постоянного тока

§ 11-1. Специальные типы генераторов и преобразователей постоянного тока

Во многих случаях к машинам постоянного тока предъявляются такие требования, которым машины нормальной конструкции не удовлетворяют. Это привело к созданию ряда специальных типов машин постоянного тока. В данной главе кратко рассматриваются некоторые типы подобных машин, которые получили распространение на практике или имеют перспективы такого распространения.

Генератор с тремя обмотками возбуждения. В ряде случаев требуется, чтобы внешняя характеристика генератора имела вид, изображенный на рис. 11-1, а. При характеристике этого вида в широком диапазоне изменения напряжения U ток / изменяется мало и близок к току короткого замыкания /_к. Такая круто падающая внешняя характеристика желательна, например, в случае электрической дуговой сварки, так как при этом ток в дуге мало зависит от ее длины и короткое замыкание (соприкосновение электрода- со свариваемым изделием) неопасно. Генераторы с такой характеристикой целесообразно использовать также для питания по схеме Г—Д электродвигателя механизма, работающего на упор, например экскаватора. В этом случае при застревании и остановке механизма ток и момент двигателя будут ограничены, в результате чего исключается возможность повреждения механизма или машины.

Характеристику вида рис. 11-1, о можно получить в генераторе с тремя обмотками возбуждения: 1) независимой, 2) параллельной и 3) последовательной (рис. 11-1, б), н. с. которой направлена навстречу н. с. F_x + F₂ первых двух обмоток. Такие генераторы предложены инженером Ц. Кремером в 1909 г.

Генераторы с тремя обмотками возбуждения в настоящее время применяются в мощных экскаваторах с электрическим приводом, на тепловозах для питания тяговых двигателей, а также в ряде других случаев.

Генераторы с расщепленными полюсами также имеют круто падающую внешнюю характеристику. На рис. 11-2 изображен сварочный двухполюсный генератор, в котором каждый из полюсов N и S расщеплен на две части: с сердечниками нормального и уменьшенного сечения. Машина имеет две обмотки возбуждения, одна из которых расположена на широких сердечниках, а другая — на узких. Узкие сердечники насыщены сильно, а широкие — слабо.

Якорь генератора (рис. 11-2) можно разбить на четыре сектора. Секторы аг и бе создают н. с. реакции якоря, которая направлена по оси широких сердечников полюсов и размагничивает их (см. рис. 11-2, где штриховые линии изображают магнитные линии потока реакции якоря). Поскольку эти сердечники слабо насыщены,

Рис. 11-1. Внешняя характеристика (а)

и схема (б) генератора с тремя обмот-

как4и возбуждения

то их поток с увеличением 1_а значительно уменьшается, а при больших значениях 1_а даже изменяет направление. Секторы аб и гв создают н. с. реакции я'коря, которая направлена по оси узких сердечников и намагничивает их. Однако вследствие сильного насыщения этих сердечников поток в них остается практически постоянным В результате суммарный поток сердечников полюсов N — N и сердечников полюсов S — S с увеличением 1_а быстро уменьшается, вместе с тем резко падает также напряжение машины U, снимаемое с главных щеток айв.

Напряжение между главной щеткой в и вспомогательной, или «третьей», щеткой б остается практически постоянным, так как индуктируется потоком узких полюсных сердечников, и используется для питания обмоток возбуждения. Ток обмоток широких сердечников регулируется сопротивлением R_B, и при разных положениях реостата получаются внешние характеристики, показанные на рис. 11-3.

В СССР с расщепленными полюсами изготовляются сварочные генераторы ПС с U_a = 35 в (напряжение холостого хода до 80 в) и до 500 а. Генераторы имеют также добавочные полюсы, расположенные между сердечниками главных полюсов N и S.

Генераторы поперечного поля впервые были предложены немецким инженером Э. Розенбергом (1904 г.). В настоящее время они применяются главным образом для питания электрооборудования пассажирских вагонов железных дорог и работают параллельно с аккумуляторной батареей Эти генераторы приводятся в движение от оси вагона и в широком диапазоне изменения п дают U = const.

Устройство двухполюсного генератора поперечного поля схематически показано на рис. 11-4. Кроме щеток 1 — 1, расположенных по геометрической нейтрали полюсов, машина имеет

также щетки 2 — 2, сдвинутые от первых на 90°. Щетки 1 — / замкнуты накоротко, а щетки 2—2 соединяются с выводными зажимами.

Поток возбуждения полюсов Ф_в индуктирует э. д. с. Е^ в цепи короткозам-кнутых щеток /—/, но не индуктирует э. д. с. в цепи щеток 2—2. Ток

Рис. 11-2. Сварочный генератор с расщепленными полюсами

создает поперечный поток реакции якоря <Dj, замыкающийся через широкие наконечники полюсов. Этот поток индуктирует в цепи щеток 2—2 э. д. с. Е_г, которая вызывает в цепи нагрузки ток /₂. Одновременно ток /₂ создает н. с. реакции якоря ^а. направленную по продольной оси полюсов и уменьшающую поток возбуждения. Такое действие F₃ и обусловливает получение U ж const при изменении п. На якоре (рис. 11-4) во внешнем кольце показаны направления тока 1_г, а во внутреннем — направления тока /₂. В проводниках одних секторов якоря существуют токи /_х -f- /_г> а в проводниках других секторов — токи 1_Х — /₂.

Зависимости /_х, /₂ и U₂ от п изображены на рис. 11-5. Генератор возбуждается от аккумуляторной батареи исл= Одо/г= п_х работает на холостом ходу (/₂ = 0),

Рис 11-3. Внешние характеристики генератора по схеме рис. 11-2

Рис. 11-4- Устройств® генератора поперечного поля

Рис. 11-5. Характеристики генератора поперечного поля

При этом 1_Х и и_г = £а растут пропорционально п. При п— tii напряжение U₂ = Е₂ сравнивается с напряжением аккумуляторной батареи и автомат включает генератор на параллельную работу с батареей. С дальнейшим увеличением Е_г при п > щ возникает ток нагрузки /_а и н. с. реакции якоря F₂- Под воздействием этой н. с. Ф_в начинает уменьшаться, вследствие чего уменьшаются также £₁₍ 1_г и Ф_х. Однако э. д. с. Е₂ — с_еФ_хп на щетках 2 — 2, а также напряжение £/_а = Е* — R_ah продолжают несколько расти. Начиная с некоторой скорости [/_г и /_а остаются практически постоянными.

Советский инженер Л. Рашковский предложил помещать на полюсах генератора поперечного поля последовательную обмотку возбуждения, которая включается в цепь тока /_а и компенсирует основную часть н. с. реакции якоря от этого тока. Такая компенсационная обмотка позволяет облегчить обмотку возбуждения и уменьшить ее мощность, а также улучшить характеристики генератора.

Как нетрудно заметить, полярность генератора не зависит от направления вращения, что в случае параллельной работы с батареей является ценным свойством генератора.

Вагонные генераторы рассматриваемого типа строятся на напряжение £/₂ = 50 в и на мощность до Р = 5 кет. Однако в последнее время вместо таких вагонных генераторов начинают применять генераторы переменного тока с полупроводниковыми выпрямителями, преимущество котррых заключается в отсутствии коллектора.

Электромашинные динамометры (менее удачные названия — балансирные машины или пендель-машины) служат для измерения вращающего момента двигателей внутреннего сгорания, а также электрических и других машин притих испытании. Электромашинный динамометр имеет две пары подвдипников, на которые опираются якорь и индуктор (рис. 11-6). Индуктор может поэтому свободно поворачиваться в пределах некоторого угла, ограниченного неподвижными упорами. Машина может работать как генератором, так и двигателем. При этом йа индуктор передаются те же моменты вращения, которые действуют на якорь (электромагнитный момент, момент от механических и магнитных потерь). Момент, действующий на индуктор и равный моменту, действующему на якорь, измеряется с помощью прикрепленного к индуктору рычага и специальных весов или гирь. Таким образом, определяется момент, действующий на вал динамометра. При этом возникает лишь небольшая

погрешность, вызванная трением в одной паре подшипников и силами, которые соответствуют части потерь на вентиляцию. Эту погрешность можно учесть

отдельно.

Рис, 11-6. Электромашинный динамометр

/ — якорь; 2 — полюсы, 3 — ярмо индуктора; 4 — нед-

шипниковые щиты, 5 — падшипники «индуктор — якорь»;

6 — подшипники «индуктор — подшипниковые стояки»;

7 — подшипниковые стояки

В СССР строятся электромашинные динамометры постоянного тока серии МПБ мощностью до 800 кет. Электромашинные динамометры можно также изготовить на базе любого типа машины переменного тока.

Генераторы униполярных импульсов [42] применяются для электроэррзионной обработки металлов и вырабатывают ток в виде кратковременных быстро чередующихся импульсов одинакового направления. Получение такого тока достигается путем использования полюсов с узкими полюсными наконечниками и обмотки якоря особого устройства.

Униполярные генераторы позволяют получать большой постоянный ток (до 50000Q а) при низком напряжении (1-50 в).

Устройство одной из конструктивных разновидностей такого генератора показано на рис. 11-7. Массивный стальной ротор / вращается в магнитном поле,

которое создается неподвижными кольцевыми катушками обмотки возбуждения 2. Рабочий поток Ф в центральной, активной части машины имеет по всей окружности одинаковую полярность, откуда и происходит название машины. Обмоткой ротора является само массивное тело ротора. Э. д. с. Е = Blv, индуктируемая

Рис. 11-7. Униполярный генератор

в центральной, активной части ротора при его вращении в магнитном поле, также имеет по всей окружности одинаковое направление. Ток с ротора снимается с помощью неподвижных щеток 3.

В униполярных генераторах возникают трудности отвода тока. При больших токах площадь щеточного контакта и число щеток очень велики. Щеточный аппарат получается громоздким, и в щеточном контакте возникают большие механические и электрические потери мощности.

В последнее время в связи с развитием специальных областей техники интерес к униполярным генераторам вновь возрос. При этом отвод тока с ротора-начали осуществлять с помощью жидких металлов (ртуть, натрий, сплав натрия и калия). В связи с этим говорят о «жидкометаллических» щетках. В настоящее время построены униполярные генераторы мощностью до 1000 кет.

§ 11-2. Исполнительные двигатели и тахогенераторы

Общие положения. Исполнительными двигателями называются двигатели, которые применяются в системах автоматического управления и регулирования различных автоматизированных установок и предназначены для преобразования электрического сигналу (напряжение управления), получаемого от какого-либо измерительного органа, в механическое перемещение (вращение) вала с целью воздействия на соответствующий регулирующий или управляющий аппарат. Если напряжение и мощность сигнала малы для управления исполнительным двигателем, то применяются промежуточные усилители мощности (магнитные, электронные, полупроводниковые).

Номинальная мощность исполнительных двигателей обычно мала — от долей ватта до 500—600 вт. К этим двигателям предъявляются большие требования по точности работы и быстродействию. Обычно требуется, чтобы зависимости момента М и скорости вращения п от напряжения сигнала (управления) и„ были по возможности линейными.

Существует ряд разновидностей исполнительных двигателей постоянного и переменного тока. Ниже кратко рассматриваются исполнительные двигатели постоянного тока.

Исполнительные двигатели нормальной конструкции по своему устройству аналогичны нормальным машинам постоянного тока. При якорном управлении ток возбуждения i_B = const, а на якорь.подается напряжение управления (У_у. Характеристики М = f (U_y) и п = f (U_y) при этом получаются практически линейными. При полюсном управлении на якорь подается напряжение U_а = const, а напряжение управления £/_у подается на обмотку возбуждения. При этом требуется меньшая мощность управления, однако характеристика п= I (Uy) не будет линейной. Поэтому обычно применяется якорное управление.

Магнитоэлектрические машины. В связи с разработкой сплавов алии (Al—Ni), алнико (А1 — Ni — Со), а также ряда других сплавов, обладающих высокими магнитными свойствами, стало возможным изготовление машин без обмотки возбуждения, с постоянными магнитами на индукторе. В частности, с постоянными магнитами изготовляются исполнительные двигатели с якорным управлением мощностью до 50—100 вт.

С постоянными магнитами можно строить также генераторы и двигатели общего назначения мощностью до 5—10 кет. Однако вследствие дороговизны указанных сплавов такие машины не получили до сих пор большого распространения.

Исполнительные двигатели с полым немагнитным якорем (рис. 11-8) вследствие малой инерции якоря обладают большим быстродействием. Полый якорь в виде стаканчика изготовляется из пластмассы, и на нем размещается и укрепляется якорная обмотка обычного типа, соединенная с коллектором. Внутренний не-

подвижный ферромагнитный сердечник (статор) при якорном управлении может быть массивным.

Из-за наличия большого немагнитного зазора между внешним и внутренним статорами требуется сильная обмотка возбуждения, габариты машины увеличиваются, а к. п. д. уменьшается. Подобные двигатели выпускаются мощностью до 10—15 em.

Двигатели с печатной обмоткой якоря (рис. 11-9) также обладают малой инерцией. Якорь этого двигателя имеет вид тонкого диска из немагнитного материала (текстолит, стекло и т. д.), на обеих сторонах которого расположены медные проводники обмотки якоря. Проводники выполняются путем гальванического травления листов медной фольги, наклеенных на диск якоря, либо гальваническим

Рис. 11-8. Исполнительный двигатель постоянного тока с полым немагнитным якорем

1 — передний щит; 2 — щеткодержатель; 3 — крышка смотрового люка; 4 — коллектор; 6 — обмотка возбуждения; 7 — полюс; 8 — полый якорь; 9 — внутренний статор; 10 — задний щит

осаждением или переносом меди. Обмотка, изготовляемая таким способом, получила название печатной. Схема обмотки якоря обычная, двухслойная, причем проводники-отдельных слоев расположены на разных сторонах диска и соединяются электрически между собой через отверстия в диске. Серебряно-графитные щетки скользят по неизолированной поверхности элементов обмотки якоря, как по коллектору.

Возбуждение осуществляется с помощью постоянных магнитов или обмотки возбуждения. Напряжение таких машин составляет 6—50 в. Ввиду хороших условий охлаждения допустимы большие плотности тока в обмотке якоря (до 30—40 а/мм² при продолжительном режиме работы). В случае необходимости быстрого торможения после снятия напряжения сигнала диск якоря изготовляется из алюминия.

Тахогенераторы представляют собой маломощные электрические генераторы (обычно до P_s= 10 -т- 50 em), которые служат в системах автоматики для преобразования скорости вращения в электрический сигнал (напряжение U_c). От тахогенераторов требуется линейная зависимость £/_с = / (п) с точностью до 0.2—0,5%, а иногда с точностью до 0,01%. В маломощных тахогенераторах при п = 1000 об/мин напряжение i/_c = 3 -f- 5 в, а в более мощных тахогенераторах обычного применения при такой же скорости вращения f/_c = 50 -е- 100 в.

Большинство тахогенераторов имеет обычную конструкцию машин постоянного тока с независимым возбуждением при i_B — const или с постоянными магнитами При необходимости уменьшения механической инерции и устранения зубцовых пульсаций напряжения применяют конструкцию с полым якорем

Рис 11-9. Двигатель постоянного тока с печатной обмоткой якоря: а — разрез Двигателя, б — обмотка якоря

/ — диск якоря с обметкой, 2 — вал, 3 — втулка, 4 — щетки и щеткодержатель, 5 — постоянные магниты (полюсы), 6 — полюсные наконечники, 7 й & — диски из магнитно-мягкой стали

(см. рис. 11-8). В последнее время разрабатываются также униполярные тахо-генераторы (см. рис. 11-7) с электромагнитным возбуждением или с постоянными магнитамИ| При этом отсутствуют коллекторные пульсации напряжения, однако U_c мало.

Исполнительные двигатели и тахогенераторы нормальной конструкции и с постоянными магнитами выпускаются в СССР серийно. Широко применяются также исполнительные двигатели и тахогенераторы переменного тока.

§ 11-3. Электромашинные усилители

Общие сведения. В автоматических устройствах возникает необходимость усиления электрической мощности, получаемой от различных маломощных измерительных элементов или преобразователей (температуры, давления, влажности, химического свойства среды и т. д). В частности, преобразователями скорости вращения являются рассмотренные выше тахогенераторы. Использованные для указанной цели устройства называются усилителями.

В технике применяются различные виды усилителей электрической мощности: электронные (ламповые), полупроводниковые, магнитные и электромашинные. Последние представляют собой специальную разновидность электромашинных генераторов, которые приводятся во вращение приводными электрическими двигателями с га = const. Усиление мощности при этом происходит за счет мощности, получаемой от приводного двигателя. Электромашинные усилители (ЭМУ) при-

Обычно требуется, чтобы прц изменении режима работы ЭМУ k_y — const. Для этого магнитные системы "ЭМУ выполняются ненасыщенными.

От ЭМУ требуется также большое быстродействие работы, т. е. быстрое изменение Р_вых при изменении Р_вх. Быстродействие определяется электромагнитными постоянными времени обмоток ЭМУ.

T = L/r.

Быстродействие ЭМУ можно оценить некоторой эквивалентной постоянней времени Т₃, учитывающей- скорость протекания переходных процессов в ЭМУ в целом. Обычно Т₃ = 0,05 -f- 0,3 сек.

Во избежание замедляющего действия вихревых токов^ индуктируемых при изменении Ф в магнитопроводе, последний изготовляется полностью из листовой электротехнической стали высокого качества. Влияние гистерезиса магнитной цепи сводится-к минимуму выбором соответствующей марки стали, а также специальными дополнительными мерами.

Для оценки качества ЭМУ вводится также понятие добротности й_д, которая определяется как

Желательно, чтобы k_R было больше, что возможно при больших k_y и малых Г_в. Однако увеличение k_y обычно приводит к увеличению Т_а и наоборот. Например, при увеличении сечений магнитонровода ЭМУ магнитный поток, выходное напряжение, выходная мощность и коэффициент усиления мощности увеличиваются. Однако одновременно увеличиваются также индуктивности и постоянные времени обмоток. Поэтому величины k_y и Т_а приходится выбирать компромиссным образом.

Номинальная выходная мощность современных ЭМУ достигает 100 кет. Мощность управления колеблется от долей ватта до нескольких ватт. Первые ЭМУ были построены в 1937 г.

Одноступенчатые ЭМУ с независимым возбуждением. В качестве простейшего ЭМУ можно рассматривать обычный генератор постоянного тока с независимым возбуждением с расслоенной магнитной цепью индуктора и якоря. При этом об-иотка возбуждения является обмоткой управления, а цепь якоря — выходной иепью. Так как в таких генераторах Р_ц — (0,01 -*- 0,02) Р_ц, то ky = 50 -г- 1QQ,

Ввиду малой величины k_y такие усилители применяются редко. Впрочем, в качестве подобных ЭМУ можно рассматривать обычные электромашинные возбудители крупных машин постоянного и переменного тока.

Двухмашинные ЭМУ. Рассмотренные выше простейшие ЭМУ имеют одну ступень усиления мощности — от обмотки возбуждения (управления) к обмотке якоря. Для увеличения ky ЭМУ изготовляются с двумя или большим количеством ступеней усиления. Общий коэффициент усиления k_y при этом равен произведению коэффициентов усиления от-дельных ступеней. Например, в двухступенчатых усилителях

fey = &yjky₂. (П-6)

Простейший двухступенчатый усилитель представляет собой каскадное соединение двух генераторов постоянного тока (рис. 11-10). Обмотка возбуждения генератора 1 является обмоткой управления ОУ. Якорь генератора 1 питает обмотку возбуждения О В генератора 2, выходной цепью, подключаемой

Рис. 11-10. Схема двухмашинного усилителя

цепь якоря последнего ((У_а, /_а) является к управляемому объекту.

ЭМУ по схеме рис. 11-10 изготовляются западногерманской фирмой «Сименс-Шуккерт» под названием «рапидин». Обе машины располагаются в общем корпусе. При этом достигается k_y — 10000.

Обычно все ЭМУ имеют несколько обмоток управления, которые размещаются рядом друг с другом на общем участке магнитной цепи (полюсах). При этом можно осуществлять управление в зависимости от нескольких величин (например, в зависимости от скорости вращения и тока якоря двигателя прокатного стана и т. п.).

Двухступенчатые ЭМУ поперечного поля являются самыми распространенными ЭМУ и были разработаны фирмой «Дженерал электрик» (США) в 1937 г. под названием «амплидин». Такие ЭМУ изготовляются обычно с неявно-выраженными полюсами и с 1р — 2. В СССР такие ЭМУ выпускаются серийно.

Рассматриваемый вид ЭМУ является конструктивным развитием генератора поперечного поля (см. § 11-1) и по принципу действия аналогичен ему.

Обмотки управления ОУ (рис. 11-11) создают первоначальный поток Ф_у по продольной оси. Этот поток индуктирует э. д. с, которая вызывает ток 1_± = й_гФ_у в короткозамкнутой цепи якоря (щетки /—/). Ток 1_г, протекая по обмотке якоря и поперечной подмагничивающей обмотке ПО, создает поток Ф₁ = A/_t поперечного

поля. Поток Фх индуктирует э. д. с. в выходной цепи (щетки 2 — 2), в результате чего в цепи нагрузки возникает ток /₃ = /_вых и на выходных зажимах — напряжение U 2 = и_яых.

Продольная размагничивающая н. с. тока /₂ практически полностью компенсируется с помощью компенсационной обмотки КО, чтобы снизить мощность управления и увеличить коэффициент усиления. Если действие КО является слишком сильным, то возникает опасность самовозбуждения ЭМУ как генератора последовательного возбуждения, в результате чего нормальная работа ЭМУ нару-

Рис. 11-11. Схема ЭМУ с поперечным полем

шается. Обычно КО выполняется с некоторым запасом (перекомпенсация), и регулирование (ослабление) ее действия производится с помощью шунтирующего сопротивления R_ul (рис. 11-11).

Форма вырубок листов стали статора ЭМУ и расположение обмоток статора показаны на рис. 11-12. Компенсационную обмотку, с целью достижения компенсации реакции якоря не только по величине, но и по форме, выполняют распределенной. Обмотка якоря обычно имеет небольшое укорочение шага Применение поперечной подмагничи-вающей обмоти ПО позволяет уменьшить величину тока /_х и улучшить тем самым коммутацию щеток /— 1 (см. рис. 11-11). Поэтому добавочных полюсов в поперечной оси обычно не делают. Коммутация щеток 2 —2 улучшается с помощью добавочных полюсов (рис 11-12).

Для уменьшения влияния гистерезиса вокруг спинки сердечника статора наматывают размагничивающую обмотку, питаемую переменным током. Поток этой обмотки замыкается в сердечнике статора по окружности и не проникает в якорь. Ширина петли гистерезиса при таком размагничивании сужается. На рис. 11-12 эта обмотка не показана.

Двуступенчатые ЭМУ поперечного поля обычно имеют мощность до Р_н = 20 кет и

коэффициент усиления до k_y = 10000. Построены также многополюсные ЭМУ с сильной поперечной подмагничивающей обмоткой и добавочными полюсами для улучшения коммутации щеток /—/ мощностью до Р_н⁼ Ю0 кет.

Существуют также некоторые другие, менее распространенные типы ЭМУ.

Рис. 11-12. Форма вырубок листов стали статора ЭМУ с поперечным полем и размещение обмоток статора

/ — обмотки управления; 2 —- поперечная подмагничивающая обмотка, 3 — компенсационная обмотка; 4 — обмотка добавочных полюсов выходной цепи

§ 11-4. Машины постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами

Коллектор и щеточный аппарат машины постоянного тока составляют узел, вызывающий трудности при проектировании, изготовлении и эксплуатации машины. Отсюда вытекает желание заменить этот узел бесконтактным коммутатором тока, что возможно осуществить с помощью управляемых электрических вентилей, в особенности полупроводниковых.

Построить электромашинный источник постоянного тока без механического коллектора нетрудно. Для этой цели можно использовать синхронный генератор (см. разд. 5) в сочетании с полупроводниковым выпрямителем постоянного тока. Поэтому основной задачей является создание двигателей постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами. Возможны две разновидности таких двигателей. В обоих разновидностях обмотка якоря вместе с полупроводниковым коммутатором располагается на неподвижной части машины (статоре), а индуктором является ротор машины. При этом на роторе размещаются полюсы в виде постоянных магнитов или возбуждаемые постоянным током через контактные кольца. В первом случае двигатель полностью лишен скользящих электрических контактов (бесконтактный двигатель).

На рис. 11-13 схематически изображен двигатель, в котором применяется такая же замкнутая обмотка якоря /, как и у обычных машин постоянного тока.

Для простоты на рис. 11-13 представлен двухполюсный двигатель с малым количеством секций в обмотке якоря. Роль коллекторных пластин и щеток здесь играют управляемые полупроводниковые вентили—тиристоры /', /", 2', 2" и т д., соединяющие обмотку якоря / со сборными шинами 2. Шины 2, в свою очередь, присоединяются к сети постоянного тока.

Рис. 11-13. Схема двигателя постоянного тока с полупроводниковым коммутатором и с обмоткой якоря типа обмотки постоянного тока

В положении ротора 3, изображенном на рис. 11-13, ток должны проводить тиристоры групп 2' — 2" и 6' — 6". Предположим, что ток проводят тиристоры 2' и 6". Тогда ток I_a = 2i_a распределится по обмотке якоря так, как показано на рис. 11-13. Пусть при этом создается поток реакции якоря Ф„, направление которого также показано на рис. 11-13. Тогда возникнет электромагнитный момент М, под воздействием которого ротор будет поворачиваться по часовой стрелке. После поворота ротора на ¹/_s оборота необходимо отключить тиристоры 2', 6" в включить тиристоры 3',7", затем после поворота ротора на ¹/₈ оборота — включить тиристоры 4', 8" и т. д. В результате такого согласованного с вращением ротора переключения тиристоров рассматриваемая машина работает

подобно нормальной машине постоянного тока и имеет такие же характеристики.

Включение и отключение тиристоров производится посредством подачи на их управляющие электроды импульсов электрического напряжения с соответствующей длительностью. Эти импульсы вырабатываются специальным устройством, реагирующим на положение ротора (на рис. 11-13 не показано). В простейшем случае такое устройство состоит из вспомогательного постоянного магнита, укрепленного на роторе двигателя, и из укрепленных на статоре, по его окружности, катушек, число которых равно числу секций якоря. Постоянный магнит при вращении ротора индуктирует поочередно в катушках э. д. с, которые подаются на управляющие электроды.

При большом числе секций двигатель рассматриваемого типа обладает хорошими свойствами, однако при этом требуется большое количество тиристоров и сложное устройство управления ими. Поэтому в'настоящее время преимущественно применяются двигатели со схемой, изображенной на рис. 11-14.

В верхней части рис. 11-14 изображена схема полупроводникового коммутатора, а в нижней части — схематическое устройство двигателя с 2р ~ 2. На статоре этого двигателя имеются три обмотки («разы») А, В, С, сдвинутые по окружности на 120°. Устройство этих ббмоток аналогично устройству обмоток якоря машин переменного тока (см. § 21-1). Каждая из обмоток при питании ее током создает jviar-нитный поток, действующий по ее оси, и поэтому потоки отдельных обмоток также сдвинуты н,а 120°.

Одновременно питаются током все три обмотки, притом направления токов в них поочередно меняются в такой последовательности, как показано на рйб. 11-15, а. Из этого жэ рисунка становится ясным, как при этом поворачивается в Пространстве магнитное поле обмотки якоря. В ре*

зультате взаимодействия магнитного поля и индуктора последний будет поворачиваться вслед за полем якоря. Управление полупроводниковым коммутатором осуществляется по такому же принципу, как и у двигателя, рассмотренного выше.

Отметим, что коммутатор, изображеняый на рис. 11-14, в сущности является полупроводниковым инвертором, преобразовывающим постоянный ток в трехфазный переменный ток.

На рис. 11-15, б представлейы идеализированные кривые тока в «фазах» обмотки. Цифрами /— 6 на этом рисунке указаны интервалы времени, которые соответствуют позициям /— 6 на рис. 11-15, а. В действительности благодаря сглаживающему влиянию индуктивностей обмотки форма кривых тока приближается к синусоидальной.

На основании изложенного представленная йа рис. 1Ы4 машина является ^в сущности трехфазной синхронной машиной (см. разд. 5), которая питается через трехфазный инвертор тока. Однако она обладает всеми свойствами обычной коллекторной машины постоянного Тока по той причине,

Рис. 11-14. Схема двигателя постоянного тока с полупроводниковым коммутатором и с обмоткой якоря типа обмотки переменного тока

что питание ее обмотки якоря током производится в функции угла поворота ротора так же, как в обычной машине постоянного тока.

Рис. 11-15. Последовательность направлений токов в «фазах» обмотки якоря двигателя по схеме рис. 11-14 (а) и идеализированные формы кривых тока в «фазах» обмотки якоря (б)

Более подробные сведения о машинах постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами содержатся в книге И. И. Овчинникова и Н. И. Лебедева [37].

§ 11-5. Магнитогидродинамические машины постоянного тока

Магнитная гидродинамика (МГД) является областью науки, изучающей закономерности физических явлений в электропроводящих жидких и газовых средах при их движении в магнитном поле. На этих явлениях основан принцип действия различных магнитогидродинамических (МГД) машин постоянного и переменного тока. Некоторые МГД машины начинают в последнее время находить применение в различных областях техники, а другие имеют значительные перспективы применения в будущем. Ниже кратко рассматриваются принципы устройства и действия МГД машин постоянного тока [43, 44].

Электромагнитные насосы для жидких металлов. В насосе постоянного тока (рис. 11-16) канал 2 с жидким металлом пойещается между полюсами электромагнита 1 и с помощью электродов 3, приваренных к стенкам канала, через жидкий металл пропускается постоянный ток от внешнего источника. Так как ток к жидко-

_му металлу в данном случае подводится кондуктивным путем, то такие насосы называются также кондукционными.

При взаимодействии поля полюсов с током в жидком металле на частицы металла действуют электромагнитные силы, развивается напор и жидкий металл приходит в движение. Токи в жидком металле искажают поле полюсов («реакция якоря»), что приводит к снижению эффективности насоса. Поэтому в мощных насосах между полюсными наконечниками и каналом помещаются шины («компенсационная обмотка»), которые включаются последовательно в цепь тока канала во встречном направлении. Обмотка возбуждения электромагнита (на рис. 11-16 не показана) обычно включается последовательно в цепь тока канала и имеет при этом только 1—2 витка.

Применение кондукционных насосов возможно для малоагрессивных жидких металлов и при таких температурах, когда стенки канала можно изготовить из жаропрочных металлов (немагнитные нержавеющие стали и т. д.). В противном случае более подходящими являются индукционные насосы переменного тока (см. § 29-5).

Насосы описанного типа стали находить применение около 1950 г. в исследовательских целях и в таких установках с ядерными реакторами, в которых для отвода тепла из реакторов используются жидкометаллические теплоносители: натрий, калий, их сплавы, висмут и др. Температура жидкого металла в насосах при этом составляет 200—600 °С, а в некоторых случаях до 800 °С. Один из выпол-ненных насосов для натрия имеет следующие расчетные данные: температура 800 °С, напор 3,9 кгс/слР, расход 3670 м³/ч, полезная гидра-влическая мощность 390 кет, потребляемый ток 250 000 а, напряжение 2,5 в, потребляемая мощ- Рис. 11-16. Принцип уст-ность 625 кет, к. п. д. 62,5%. Другие характерные ройства электромагнит-данные этого насоса: сечение канала 53 X 15,2 еж², ного насоса постоянного скорость течения в канале 12,4 м/сек, активная тока

длина канала 76 см.

Преимущество электромагнитных насосов состоит в том, что они не имеют движущихся частей и тракт жидкого металла может быть герметизирован.

Насосы постоянного тока требуют для питания источников с большой силой тока и малым напряжением. Для питания мощных насосов выпрямительные установки малопригодны, так как они получаются громоздкими и с малым к. п. д.-Более подходящими в этом случае являются униполярные генераторы (см. §11-1).

Плазменные ракетные двигатели. Рассмотренные электромагнитные насосы являются своеобразными двигателями постоянного тока. Подобные устройства в принципе пригодны также для разгона, ускорения или перемещения плазмы, т. е. высокотемпературного (2000—4000 °С и больше) ионизированного и поэтому электропроводящего газа. В связи с этим производится разработка реактивных плазменных двигателей для космических ракет, причем ставится задача получения скоростей истечения плазмы до 100 км/сек. Такие двигатели не будут обладать большой силой тяги и поэтому будут пригодны только для работы вдали от планет, где поля тяготения слабы; однако они имеют то преимущество, что весовой расход вещества (плазмы) мал. Необходимую для их питания электрическую энергию предполагается получить с помощью ядерных реакторов. Для плазменных двигателей постоянного тока трудную проблему составляет создание надежных электродов для подвода тока к плазме.

Магиитогидродинамические генераторы. МГД машины, как и всякие электрические машины, обратимы. В частности, устройство, изображенное на рис. 11-16, может работать также в режиме генератора, если через него прогонять

Рис. 11-16. Принцип устройства электромагнитного насоса постоянного тока

проводящую жидкость или газ. При этом целесообразно иметь независимое возбуждение. Генерируемый ток снимается с электродов.

На таком принципе строятся электромагнитные расходомеры воды, растворов щелочей и кислот, жидких металлов и т. п. Э. д. с. на электродах при этом пропорциональна скорости движения или расходу жидкости.

МГД генераторы представляют интерес с точки зрения создания мощных электрических генераторов для непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую. Для этого через устройство вида, изображенного на рис. И-16, необходимо пропускать со скоростью порядка 1000 м/сек проводящую плазму. Такую плазму можно получить при сжигании обычного топлива, а также путем нагревания газа в ядерных реакторах. Для увеличения проводимости плазмы в нее можно вводить небольшие присадки легко ионизируемых щелочных металлов.

Электропроводность плазмы при температурах порядка 2000—4000 °С относительно мала (удельное сопротивление около i ом ■ см = 0,01 ом • м = 10* ом ■ мм*/м, т. е. примерно в 500 000 раз больше, чем у меди). Тем не менее в мощных генераторах (порядка 1 млн. кет) возможно получение приемлемых технико-экономических показателей. Разрабатываются также МГД генераторы с жидкометаллн-ческим рабочим телом.

При создании плазменных МГД генераторов постоянного тока возникают трудности с выбором материалов для электродов и с изготовлением надежных в работе стенок каналов. В промышленных установках также сложную задачу представляет собой преобразование постоянного тока относительно низкого напряжения (несколько тысяч вольт) и большой силы (сотни тысяч ампер) в переменный ток.

Дата добавления: 2015-07-18