Электронный учебник по электрическим машинам / 6. Электромашинные преобразователи тока
.docОбщие 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, например, 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, очевидно, 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.
6-1. 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 U1/U2.
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 М1-М2=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 U2 на вторичной стороне при увеличении нагрузки вызывается не только падением напряжения в цепи генераторной обмотки, но и в цепи двигательной обмотки Регулирование напряжения U2 при U1 = const путем изменения тока возбуждения практически невозможно, так как при этом будет изменяться скорость вращения, и произведение nФ = EаU1 останется практически неизменным
Рассмотренные преобразователи получили распространение в радио-установках. Они преобразуют напряжение U1 = 12÷24 В в напряжение U2 = 750÷1500 В.
6-2. 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 = 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 ртутными и другими выпрямителями, которые оказались более экономичными и удобными в эксплуатации.