Электронный учебник по электрическим машинам / 7. Коллекторные машины переменного тока

7-1. 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 .

7-2. 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  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. Ухудшение коммутации здесь вызывается возникновением в коммутируемой секции (секции, замкнутой щеткой) трансформаторной э.д.с., кроме реактивной э.д.с. и э.д.с. вращения (от внешнего поля в коммутационной зоне). Трансформаторная э.д.с. возникает вследствие пульсаций потока главных полюсов, с осью которого совпадает ось коммутируемой секции. Эта секция является как бы замкнутой вторичной обмоткой трансформатора, первичной, обмоткой которого служит обмотка возбуждения. Для компенсации трансформаторной и реактивной э.д.с. при помощи э.д.с. вращения нужно в коммутационной зоне создать поле, сдвинутое по фазе относительно тока ротора, что достигается шунтированием обмотки дополнительных полюсов активным сопротивлением (рис. 7-1). Однако взаимной компенсации э.д.с. в коммутируемой секции можно добиться только при определенных значениях тока ротора и его скорости вращения. При других режимах работы двигателя условия коммутации ухудшаются и становятся особенно тяжелыми при пуске в ход, так как в этом случае трансформаторная э.д.с. не компенсируется (э.д.с. вращения равна нулю). Большие работы по исследованию коммутации в коллекторных двигателях переменного тока были выполнены акад. К. И. Шенфером еще в 1911—1914 гг. Они способствовали усовершенствованию этих двигателей.

Трансформаторная э.д.с. E_т, наведенная в коммутируемой секции, определяется так же, как э.д.с. вторичной обмотки трансформатора:

,          (7-1)

где w_c— число витков секции якорной обмотки; f — частота тока; Ф — амплитуда потока главных полюсов.

Для уменьшения E_т т приходится идти на уменьшение потока Ф, что при данной мощности достигается увеличением числа полюсов

Кроме того, для больших двигателей число витков в секции берется равным единице (w_c = 1). Все это приводит к увеличению числа коллекторных пластин и, следовательно, размеров коллектора. Для уменьшения E_т уменьшают также частоту питающего переменного тока. 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  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.

7-3. 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 sE₂ вызывает ток, взаимодействие которого с полем определяет вращающий момент двигателя. Здесь Е₂— э.д.с. фазы статора при неподвижном роторе, s — скольжение двигателя. Если щетки раздвинуть так, чтобы E_доб была направлена против sE₂, то скольжение будет увеличиваться. Режим работы устанавливается при некотором скольжении, когда результирующая э. д. с. (sE₂- 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 sE₂ 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. sE₂ 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 . Для этою нужно изменять по фазе э.д.с. E_доб, что осуществляется путем смещения щеток каждой фазы, например, для улучшения cos  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 , 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.