pdf.php@id=6159.pdf

Глава сорок первая

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ СИНХРОННЫХ МАШИН

§41-1. Одноякорные преобразователи

Вобмотке якоря машниы постоянного тока протекает переменный ток. Если соединить эту обмотку такж е с контактными кольцами (рис. 41-1, а), то иа них

получим напряж ение переменного тока II„ . Т акая маш ина называется о д н о я -

в маш инах постоянного тока с параллельны м возбуждением. Поэтому в конструк­ тивном отношении одноякорный преобразователь представляет собой маш ину постоянного тока, снабженную контактными кольцами. Кольца по­ мещают иа валу со стороны, про­ тивоположной коллектору. ' Д л я улучш ения коммутации машина имеет добавочные полюсы.

Одноякорный преобразователь обычно используется для преобра­ зования переменного тока в п о ­ стоянный. При этом по отношению

ксети переменного тока он работает

как синхронный двигатель, а по от­ ношению к сети постоянного тона —

как двигатель постоянного тока, и затем синхронизировать с сетью перемен­ ного тока.

К ак известно, в режиме генератора активная составляю щ ая тока якоря совпадает по фазе с э. д. с., а в режиме двигателя она направлена встречно э . д . с. Т ак к ак одноякорный преобразователь работает одновременно в режиме генера­ тора и двигателя, то в обмотке якоря протекает разность токов / „ и /_ . Поэтому

Синхронные машины [Разд. V

Т ак как напряж ения С/_ и Е/_ действуют в одной и той ж е обмотке якоря, то их величины жестко связаны друг с другом. Если предположить, что поле возбуждения индуктирует в обмотке якоря чисто синусоидальные э. д. с , пре­

время они в этих областях вытеснены ртутными и полупроводниковыми выпря­ мителями и используются в специальных случаях, притом такж е с раздельными обмотками переменного и постоянного тока. Одноякорный преобразователь можно использовать такж е в качестве генератора двух родов тока — постоян­ ного и переменного, если вращ ать его с помощью какого-либо первичного двига­ теля. Такие генераторы в ряде случаев применяются на небольших судах и т д.

менение.

§ 41-2. Машины двойного питания

Двигатель двойного питания по своей конструкции представляет собой асинхронную машину с фазным ротором, обе обмотки которой питаются пере­ менным током обычно от общей сети, с параллельным или последовательным вклю ­ чением обмоток статора и ротора (рис. 41-4, а). Токи статора /] и ротора /а соз­ дают н. с. Рх, Р2 и потоки Фъ Фа, которые вращаются соответственно относи­ тельно статора и ротора со скоростями щ = {г/р. Эти н. с. и потоки вращаются синхронно, если

где п — скорость вращ ения ротора и знак плюс относится к случаю , когда н. с. ротора вращ ается относительно ротора в сторону его вращ ения, а зн ак минус — когда это вращение происходит в обратном направле­

ности двухфазную обмотку. В нормальном режиме работы обмотки возбуж ­ дения питаются постоянным током, и этот режим ничем не отличается от режима работы обычной синхронной машины. Однако в аварийных режимах, когда синхронное вращение ротора с полем статора нарушается (короткие замы­ кания в сети, качания ротора и пр.), обмотки возбуждения питаются переменными токами частоты скольжения, сдвинутыми по фазе на 90°, вследствие чего полу­ чается поле возбуждения, вращающееся относительно ротора. Частота токов возбуждения «/х регулируется автоматически и непрерывно таким образом, что поля возбуждения и якоря вращ аю тся синхронно, благодаря чему они создают вращающий момент постоянного знака. В результате машина не выпадает из синхронизма и устойчивость ее работы повышается, что и составляет преимуще­ ство данной машины.

По своей природе рассмотренная машина аналогична машине двойного пита­ ния. Д л я реализации указанного преимущества этой машины кратность

§41-3. Синхронные двигателя малой мощности

Дл я некоторых механизмов необходимы двигатели малой мощности с по­ стоянной скоростью вращ ения (лентопротяжные механизмы киноаппаратов, электрические часы, аппараты и т. д ). В качестве таких двигателей применяются

синхронные двигатели без обмоток возбуж дения. Отсутствие обмоток возбужде­ ния упрощ ает конструкцию двигателей и их эксплуатацию , а такж е повышает надежность их работы . Во многих случаях такие двигатели являю тся однофаз­ ными.

У стройство статора многофазных маломощных синхронных двигателей, рассматриваемых в настоящем параграфе, ничем яе отличается от устройства статора нормальных синхронных и асинхронных маш ин, а статоры однофазных синхронных двигателей имеют такое ж е устройство, к ак и статоры однофазных асинхронных двигателей (с рабочей и пусковой обмоткой, конденсаторные, с экранированш дш полюсами на статоре — см. § 30-2), и пуск однофазных син­ хронных и асинхронных двигателей производится одинаково (в конце пуска,

пусковую обмотку в виде беличьей клетки. Ротор из магнитно-твердого сблав* изготовляется путем литья н трудно поддается механической обработке. П оэтом^ выполнение в нем литой беличьей клетки невозможно. В связи с этим ротор изго­ товляется обычно составным — обычный ротор короткозамкнутого асинхронного^ двигателя посредине и дв^ диска из магнитно-твердого сплава по краям . И сполЦ зование материалов таких двигателей получается малым, и поэтому они обы чна строятся мощностью до 30—40 вт. Генераторы с постоянными магнитами не

Реактивны е синхронные двигатели. Явнополюсные синхронные машины беи обмотки возбуж дения называются реактивными. Особенности работы таких Машин, уж е были рассмотрены в $ 35-3.

Различны е конструкции роторов синхронных реактивных двигателей изоб­ ражены на рис. 41-5. Ротор, показанный на рис. 41-5, а, имеет наибольшее рас­ пространение, изготовляется из листовой электротехнической стали и снабжается пусковой обмоткой в виде беличьей клетки. Его полюсы имеют форму выступов, Роторы , изображенные на рис. 41-5, б и в , изготовляю тся путем заливки сталь­ ных пакетов алюминием, причем алюминий выполняет роль'п усковой обмотки.

Реактивны е двигатели имеют низкий со5<р и поэтому такж е низкий к . п.д<

мулом для разработки и применения гистерезисных двигателей Роторы таких двигателей изготовляю тся из специальных магнитно-твердых сплавов, имеющих ш ирокую петлю гистерезиса (например, сплав викаллой). При массивной кон­ струкции ротора эти двигатели при пуске развиваю т такж е асинхронный вра*

Алюминий

Рис. 41-5. К онструкция роторов синхронных реактив­ ных двигателей

щающий момент. О днако этот момент значительно меньш е гистерезисного момента (см. § 25-4), вследствие чего пуск, а такж е втягивание в синхронизм и работа происходят за счет гистерезисного момента вращ ения.

Разница между двигателями с постоянными магнитами и гистерезисными состоит в том, что у первых ротор подвергается специальному предварительному

ного моментов, а работа — за счет гистерезисного и реактивного моментов, при­ чем последний в 2—3 р а за больш е гистерезисного. Выпускаемые в СССР реактивио-

гистерезисные двигатели на ^ = 50 гц типов СД-60, СД-2, СДЛ -2, СРД -2 имеют мощность на валу 12 мквт, а двигатели СД -1/300 — 0,07 мквт (цифры в обозна­

чении типов указываю т на скорость вращ ения выходного конца вала в об/'мин). И х к. п. д. менее 1% .

§ 41-4. Тихоходные и шаговые синхронные двигатели

Однофазные тихоходные синхронные реактивные двигатели отличаются тем, что полюсное деление нх статора кратно числу зубцовых делений ротора (рис. 41-7, а) нли зубцовые деления на полюсах статора равны зубцовым делениям ротора (рис. 41-7, б)

сительно зубцов ротора, то при возрастании Ф от нуля зубцы ротора притяги­

ности вращ ения ротор обычно выполняется с повышенной механической инерцией. С этой ж е целью иногда двигатели выполняются с внутренним статором и внешним ротором (например, двигатели электропроигрывателей). Если иа полюсах (рис. 41-7, б) оставить только по одному зубцу, то получится двигатель, назы­

или с помощью встроенного пускового асинхронного двигателя.

Синхронные без редукторные двигатели. Н а рнс. 41-8 показано устройство безредукторного двигателя, разработанного американскими инженерами Л . Чеббом и Г. Уотсом. Д вигатель имеет двухфазную обмотку с 2р = 2 и фазной зоной 90°. Н а рис. 41-8 катуш ки обмотки статора намотаны через спинку, но может быть применена и обмотка обычного типа. П итание обмотки производится от однофазной

двум. Под воздействием вращающегося поля ротор стремится занять такое поло-

жение, при котором по линии оси магнитного потока зубец ротора встанет против зубца статора (линия А на рис. 41-8). Когда ось потока повернется в положение В, зубец 2' ротора встанет против зубца 2 статора, а при повороте потока от положе­

=15 об/мин.

Рис. 41-9. Принцип устройства и работы реактивного ш агового двигателя

на некоторую, вполне определенную величину, называемую ш а г о м . Эти двига­ тели применяются для автоматического управления и регулирования, напрнмер а металлорежущ их станках с программным управлением для подачи резца и т. д .

Н а рис. 41-9 изображен простейший шаговый двигатель с тремя парами полюсов на статоре. При питании током обмотки полюсов индуктора 1—1 четырех­ полюсный ротор занимает положение, показанное на рис. 41-9, а, а при питании полюсов 1—1 и 2—2 займет положение, показанное на рис. 41,9, б, отработав

ш аг 15°. ДЬлее, при отключении обмотки 1— / ротор повернется против часовой стрелки еще на 15° (рис. 41-9, в) и т. д.

Уменьшение ш ага двигателя достигается увеличением числа полюсов или путем размещ ения на общем валу нескольких пар статоров и роторов, повернутых относительно друг друга на соответствующий угол. Вместо сосредоточенных обмо­ ток (рис. 41-9) можно применять такж е распределенные обмотки. Существует целый р яд разновидностей ш аговых двигателей вращ ательного (с шагом до 180°,

§41-5. Индукторные синхронные машины

Вряде установок (индукционный нагрев металлов, сварка специальных спла­ вов, гироскопические и радиолокационные установки- и пр ) применяется одно-

или трехфазный ток повышенной частоты (400—30000 гц) Синхронные генераторы нормальной конструкции, имеющие частоту I = 'рп, д л я этого случая не подходят,'

ской прочности, а увеличение числа полюсов 2р ограничено минимально возмож* ной величиной полюсного деления по условиям размещ ения обмоток. Поэтому в этих случаях применяются генераторы особой конструкции, которые называю тся И н д у к т о р н ы м и и основаны на действии зубцовых пульсаций магнитного потока. Роторы всех видов индукторных генераторов имеют вид зубчатых колес и не имеют обмоток, что повышает надежность их работы, -а обмотки возбуждений постоянного тока и якорны е обмотки переменного тока располагаю тся на статорю В некоторых случаях вместо обмоток возбуж дения применяются постоянные маг ииты.

В последнее время начинают находить применение такж е индукторные д в и гР тели, развиваю щ ие п рв питании током повышенной частоты умеренные скоростй вращ ения. И х устройство аналогично устройству индукторных генераторов

Генератор, изображенный на рнс. 41-10, а, имеет по дна пакета статора и рото­ ра и кольцевидную обмотку возбуж дения. Ои называется о д н о и м е н н о - п о л ю с н ы м , так к ак магнитная полярность каж дого пакета вдоль всей окруж ­ ности неизменна Генератор, показанный на рис. 41-10, б, является однопакет­ ным я называется р а з н о и м е н н о п о л ю с н ы м . В больших пазах его ста­ тора располож ена обмотка возбуж дения, а в малых пазах — обмотка переменного тока.

К ривая индукции магнитного поля вдоль окруж ности ротора для генераторов, показанных на рис. 41-10, изображ еиа на рис. 41-11. М ожно представить себе, что

}хгг-1чгиал-гцплпх1гил^ 0ятп^

Рис. 41-12. П ринцип устройства (а) и кривая магнит­ ного поля (б) однофазного индукторного генератора с гребенчатой зубцовой зоной

пульсирую щ ая волна этого поля движ ется вместе с ротором, а постоянная состав­ ляю щ ая магнитного поля неподвижна-относительно статора и э . д. с. в катуш ке с любым шагом от этого поля равна нулю . Поэтому эта чдсть потока ие производит полезной работы и вызывает ухудш ение использования материалов машины.

Ш аги катуш ек этой обмотки должны быть такими, чтобы на рис. 41-10 одна сто­ рона катуш ки находилась против зубца, а д ругая — против паза ротора, так как в этом случае э. д. с. переменного тока проводников катуш ки будут арифметически склады ваться. П отокосцепления обмоток возбуждения генераторов, показанных иа рис. 41-10, при вращении ротора остаются постоянными, н поэтому в этих обмотках переменная э. д. с. не индуктируется, что является положительным фактором.

При / 5 3000 гц целесообразно применять конструкцию статора, предлож ен­ ную Гюи. В этой конструкции большие зубцы статора, охватываемые обмотками, имеют гребенчатую форму и зубцы соседних полюсов статора сдвинуты относи­ тельно зубцов ротора на половину зубцового деления (рис. 41-12). Благодаря этому потоки различных половинок полюсов Ф 'в Ф * различны (рис. 41-12, б) и при сме­ щении ротора на половину зубцового деления поток, сцепляющийся с катуш кой

Рис. 41-13. П ринцип устройства трехфазного индук­ торного генератора с гребенчатой зубцовой зоной

обмотки якоря 2, изменяется от значения -4- (Ф ' — Ф") до значения — (Ф ' — Ф*) и в этой обмотке индуктируется э. д. с. частоты [, определяемой равенством (41-5). В то ж е время потокосцепление с обмоткой возбуж дения I не изменяется.

П рименяются и другие разновидности индукторных машин. В трехфазных маш инах вместо двух больших зубцов, как на рис. 41-10, на протяжении двойного полюсного деления выполняется шесть больших зубцов и малые зубцы соседних больших зубцов статора сдвинуты относительно зубцов ротора не на половину, а на одну шестую часть малого зубцового деления (рис. 41-13). Благодаря этому потоки соседних больших зубцов статора изменяются со сдвигом по ф азе не на 180°, а на 60°, что исцользуется для получения в фазах А, В, С обмотки якоря э. д. с., сдвинутых на 120°.

Вследствие повышенной частоты обмотка якоря индукторной машины имеет повышенные синхронные сопротивления х9 и х9. Поэтому для улучш ения харак ­ теристик этой машины последовательно с обмоткой якоря во многих случаях вклю ­ чаются конденсаторы.

§ 41-6. Некоторые другие разновидности синхронных машин

Электромагнитная муфта служ ит д ля гибкого соединения двух вращ аю щихся валов, например вала дизеля судовой силовой установки с валом гребного винта. В конструктивном отношении электромагнитная муфта представляет собой явно­ полюсную синхронную машину, индуктор которой, возбуждаемый постоянным током, укреплен на одном валу (например, ведущем), а якорь укреплен на другом валу (например, ведомом). Обмотка якоря может быть фазной (в этом случае она соединяется с реостатом) или короткозамкнутой в виде беличьей клетки.