pdf.php@id=6159.pdf

и создается электромагнитный момент, под воздействием которого и совершается вращение ведомого вала. При короткозамкнутой обмотке якоря скольжение ведо­ мого вала относительно ведущего

«1

составляет 0,01 — 0,03. При фазной обмотке якоря скольжение $ и скорость можно регулировать путем изменения сопротивления реостата или тока возбуж­ дения.

Электромагнитная муфта позволяет осуществлять плавное присоединение и отключение ведомого вала при вращающемся первичном двигателе, а при фазной обмотке также регулирование скорости вращения. Кроме того, муфта защищает рабочий механизм от больших перегрузок, так как при большом тормозном моменте ведомый вал останавливается. Если пуск ведомого вала производится при враще­ нии ведущего вала со скоростью !ц = па, то частота } велика и для получения достаточного пускового момента короткозамкнутую обмотку якоря нужно выпол­ нить с использованием эффекта вытеснения тока (см. гл. 27).

Электромагнитные муфты обычно строятся мощностью до Рв = 500 кеш. Бесконтактные синхронные машины с когтеобразными полюсами. В современ­

ных промышленных и транспортных установках нередко синхронные машины по условиям надежности необходимо выполнять без скользящих контактов на ро­ торе. В этих случаях можно применять синхронные машины без обмотки возбуж­ дения (реактивные), а при повышенных частотах также индукторные и редуктор­ ные машины. Однако можно также использовать машины с когтеобразным ротором и неподвижной обмоткой возбуждения. Такие машины строятся по такому же принципу, как и бесконтактные сельсины (см. рис. 31-9), но обычно с 2р > 2. При / = 50 гц их целесообразно строить мощностью до Рв — 20-5- 30 кеш.

Ударные синхронные генераторы применяются для испытания выключателей высокого напряжения на мощность отключения. Они строятся на базе турбогене­ раторов мощностью до 50—200 Мет и работают в режиме внезапного короткого замыкания. Для получения возможно большего тока короткого замыкания они изготовляются с пониженными индуктивными сопротивлениями рассеяния и с на­ дежным креплением обмоток, в особенности их лобовых частей.

Существуют и разрабатываются также некоторые другие разновидности син­ хронных машин.

Раздел шестой

Глава сорок вторая

МНОГОФАЗНЫЕ КОЛЛЕКТОРНЫЕ МАШИНЫ И КАСКАДЫ

§ 42-1. Применение коллекторных машин переменного тока

Разработанные М. О. Доливо-Добровольским в 1889—1891 гг. трехфазиая система переменного тока и трехфазные асинхронные двигатели получили всеоб­ щее распространение Большими достоинствами асинхронных двигателей являются простота их конструкции, надежность в работе и невысокая стоимость. Вместе с тем им присущи следующие недостатки: 1) трудности экономичного регулировав ииЯ скорости вращения, 2) потребление реактивной мощности и понижение коэф­ фициента мощности сети. Эти недостатки асинхронных двигателей стимулироваЯЙ разработку коллекторных двигателей переменного тока, допускающих плавное и экономичное регулирование скорости вращения, а также различных снециаль-' ныХ видов коллекторных машин переменного тока (к. м. п. т ) для регулировц-* ння скорости вращения и повышения коэффициента мощности асинхронных двигателей.

В период 1880—1925 гг. было разработано значительное количество разнооФ разных однофазных и многофазных к. м. П. т. и каскадных схем с асинхронными и'коллекторньми машинами переменного тока. Большой вклад в разработку и со­ вершенствование этих машин за границей сделали Э. Томсон, Г. Гергес, Ф. Эйхберг, Р. Рихтер, М. Латур, И. Дери, А. Шербиус, И. Козичек, В. Зейц я ад. В СССР исследованием н разработкой к. м. п. т. занимались К- И. Шенфер, М. П. Костенко, Д. А.^Завалишин и др.

Различные виды к м. п т. используются в промышленности н на транс­ порте. Однако в целом их применение ограничено. Причинами этого являются: 1) трудности коммутации к. м .п. т., 2) относительная сложность их устрой­ ства и 3) высокая стоимость.

Трудности коммутации ограничивают мощность к. м. п. т. и диапазон регу­ лирования скорости вращения, вызывают усложнение их конструкции и увеличе­ ние стоимости. Стоимость трехфазных коллекторных двигателей в 1,5—2 раза больше стоимости двигателей постоянного тока и в 4—6 раз больше стои­ мости асинхронных двигателей. Вместе с тем были найдены другие пути полного или частичного решения проблем, вызвавших развитие к. м. п. т. Проблема повышения коэффициента мощности сетей была разрешена широким;

использованием статических конденсаторов, синхронных двигателей я синхрон­ ных компенсаторов. Во многих случаях удовлетворительное решение проблем регулирования скорости вращения Достигается с помощью асинхронных двига­ телей (см. гл. 28). Широкое распространение нашли двигатели постоянного тона, которые допускают регулирование скорости вращения в более широких пределах н надежнее в работе, чем к. м. п. т. С развитием управляемых ионных и полупро­ водниковых выпрямителей применение двигателей постоянного тока все более расширяется. Развитие полупроводниковых преобразователей частоты несомненно вызовет также н более широкое использование частотного регулирования скорости вращения асинхронных н синхронных двигателей. Все это привело к сужению области применения к. м. ц. т переменного тока, и очевидно, что эта тенденция будет продолжаться и в дальнейшем.

Наибольшее распространение к. м. п. т. получили в некоторых европейских странах (Германская Демократическая Республика, Федеративная Республика Германии, Чехословакия, Швейцария н др.). В ряде других стран, в частности

вСША, и в особенности в СССР, их применение весьма ограниченно.

Вданном разделе дается описание устройства и принципа действия наиболее

распространенных видов к. м. п. т.

§ 42-2. Трехфазные коллекторные двигатели

Трехфазный коллекторный двигатель с параллельным возбуждением с двой­ ным комплектом щ еток (двигатель Ш раге).

Трехфазный коллекторный двигатель по принципу действия представляет собой асинхронный двигатель, во вторичную цепь которого для регулирования скорости Вращения' с помощью коллектора вводится добавочная а. д. с. Еж частоты скольжения (см. § 28-3).

Коллектор при этом служит для преобразования частоты сети [г в частоту скольжения (см. § 19-4). В трехфазном коллекторном двигателе с парал­ лельным возбуждением устройство для получения э. д. с. Ежсоединено парал­ лельно (электрически иди электромагнитно) с первичной цепью двигателя, я меха­ ническиехарактеристики этого двигателя подобны характеристикам двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.

Наиболее широкое распространение имеет трехфазный двигатель с параллель­ ным возбуждением с двойным комплектом щеток, предложенный в 1910 г. почти одновременно немецкими электротехниками X. Шраге и Р. Рихтером. В этом дви­ гателе (рис. 42-1) трехфазная первичная обмотка 1 расположена иа роторе и питается от сети (зажимы А 1, В}, С1) через контактные кольца, а фазы вторичной обмотки 2 расположены на статоре. Источником добавочной э. д. с. Ежявляется добавочная обмотка ротора, которая расположена в общих лазах с первичной обмоткой 1, по своему устройству аналогична якорной обмотке машины постоян­ ного тока и соединена с коллектором К (на рис. 42-1 эта обмотка не показана). Спомощьющеток а!—а2, Ы —Ь2и с1—с2 добавочная обмотка соединяется со вто-‘ рнчвой обмоткой 2.Намагничивающий ток первичной обмотки 1 создает магнитный поток Ф, который вращается относительно ротора со скоростью Пх=*Ыр и индукти­

э. д. с. Ежпропорциональна длине дуги коллектора между щетками данной фазы (например, Ы — Ь2). Вторичный ток /г протекает по вторичной обмотке 2 с часто­ той и по добавочной обмотке ротора с частотой ^ . Преобразование частоты тока

в частоту /а производится коллектором.

Для регулирования величины э. д. с. Ежи изменения ее направления щетки а1, Ы, с! присоединяются к одной, а а2, Ь2, с2 — к другой подвижной щеточной

траверсе. Траверсы в свою очередь посредством зубчатой или иной передачи соединены со штурвалом или исполнительным двигателем, с помощью которых траверсы и щетки можно перемещать относительно друг друга в противоположных направлениях (рис. 42-2). Щетки обеих траверс расположены на коллекторе со сдвигом в осевом направлении н могут

заходить друг за друга.

В случае рис. 42-2, а скорость двига­ теля ниже синхронной (п < %), э. д. с. Е'

направлена навстречу вторичной э. д. с. Е2'3 н активная составляющая тока /'

направлена согласно с э. д с. вторичной обмотки Е2' — зЕ'9(рис 42-3, а) При этом

мощность скольжения

Р3= вРщ

передается из вторичной обмотки в до­ бавочную и из нее через магнитное поле трансформаторным путем в первичную об­ мотку. Если щетки Ы и Ь2 на рис. 42-2, а будем сближать друг с другом, то Е ' ста­

нет уменьшаться и скорость п увеличи­ ваться. При совмещении щеток Ы и Ь2 (рис. 42-2, 6 и 42-3, б) Е'л = 0 и машина

работает в режиме обычного асинхрон­ ного двигателя, с небольшим положитель­ ным скольжением $. Если, далее, щетки раздвинем в противоположных направле­

ниях (рис. 42-2, в и 42-3, в), то э. д. с. Е ' будет вводиться во вторичную цепь

в обратном направлении и скорость двигателя-станет выше синхронной. При этом мощность скольжения будет потребляться добавочной обмоткой из первичной

Рис 42-2. Принцип регулирования скорости враще­ ния трехфазного коллекторного двигателя с парал­ лельным возбуждением с двойным комплектом щеток

обмотки и передаваться во вторичную обмотку. При фиксированном положении щеток механические характеристики двигателя М — } («) подобны гем же харак­ теристикам обычных асинхронных двигателей.

На рис. 42-3 первичный ток представлен в виде суммы трех составляющих:

/1= /. + ( - /0 + ( - /д),

где / ' — приведенный к первичной обмотке ток вторичной обмотки, а / ' — при­

веденный к первичной обмотке ток добавочной обмотки ротора. Следует иметь в виду, что неприведенные токи / д = /а.

На рис. 42-2 щетки Ы и Ь2 во всех положениях расположены симметрично относительно фазы вторичной обмотки. При этом э. д. с. Д' сдвинута по фазе отно­

сительно э. д. с. Я ,' на 180° и влияет только на величину скорости двигателя.

Вели механизм поворота щеток устроен так, что щетки вместо положения, изобра­ женного на рис. 42-2, а, занимают несимметричное относительно вторичной обмотки

Ф

Рис. 42-3. Векторные диаграммы трехфазного коллекторного двигателя с парал­ лельным возбуждением с двойным комплектом щеток

положение согласно рис. 42-4, а, то фаза э. д. с. Ё'я изменится в сторону отстава­

ния на некоторый угол а . В этом случае вектор тока Д повернется в сторону опе­ режения (рис. 42-4, б) и будет иметь составляющую, совпадающую по фазе с пото­

ком <$, что приведет к улучшению соз фх двигателя или даже к работе последнего с опережающим током. Отметим также, что ранее строились двигатели, в которых

добавочная э. д. с. Ё'жимела по отношению к э. д. с. Ё3' сдвиг по фазе на 90 и совпадала по фазе с вектором <Ь. В этом случае Ё ' почти не влияет наскорость

вращения и вызывает только компенсацию соз ф! двигателя. Такие машины назы­ ваются компенсированными асинхронными двигателями.

Двигатели рассматриваемого типа нашли за границей наибольшее распростра­ нение в текстильной, бумажной и сахарной промышленности. Они строятся обычно на мощность до 100—150кет при 1}а «5 500 вис регулированием скорости в преде­ лах 3: 1, что соответствует регулированию скольжения в пределах — 0,5 ^ з ^ г;'- 0,5. Пуок двигателей небольшой мощности обычно производится прямым вклю­ чением в сеть при установке щеток в положение, соответствующее наименьшей скорости вращения. В более мощных двигателях для уменьшения пускового тока применяют также пусковые реостаты, фазы которых включают последовательно с фазами вторичной обмотки.

Особенности коммутации трехфазных коллекторных двигателей. При враще­ нии ротора двигателя с двойным комплектом щеток секции его добавочной обмотки переходят поочередно из одних участков окружности а1а2ЫЬ2с1с2 (рис 42-1)

вдругие, причем во время этого перехода они замыкаются щетками накоротко

ипроисходит их коммутация е соответствующим изменением тока секции Время коммутации малб по сравнению с периодом изменения переменного тока обмотки,

ипоэтому можно считать, что величина изменения тока в коммутируемой секции равна разности мгновенных значений токов в соседних участках добавочной об­ мотки в момент коммутации. Например, при переходе секции из участка обмотки Ь2Ы (рис 42-1) в участок Ыа2 ток в секции изменяется от мгновенного

значения тока /2 в фазе В2У2 вторичной обмотки в этот момент времени до нуля.

Рис 42-4. Принцип компенсации коэффициента мощ­ ности трехфазиого коллекторного двигателя с парал­ лельным возбуждением с двойным комплектом щеток

В других видах многофазных коллекторных машин изменение тока коммути­ руемой секции равно разности мгновенных значений токов соседних фаз.

Вследствие указанного изменения тока в коммутируемой секции индукти­ руется такая же реактивная э. д. с. ег, равная сумме э д с. само- и взаимной индукции, как и в машинах постоянного тока. Разница заключается лишь в том, что в результате протекЗння в обмотке переменного тока величина ег в последо­ вательно коммутируемых секциях различна и изменяется в фазе с током данной; фазы вторичной обмотки. Поэтому можно сказать, что э. д с а, изменяется в фазе с током обмотки, соединенной с коллектором. Реактивная В. д. е. еГ в к. м. л. Т, оказывает такое же влияние на коммутацию^ как и в машииах постоянного тока.’ То обстоятельство, что в к. м. п. т. ег является переменной, не имеет существен­ ного значения.

Однако в коммутируемых секциях к. м. п. т , кроме реактивной э. д с, возникает также трансформаторная $. д. с. е,р, которая индуктируется основ­ ным магнитным потоком Ф,

В многофазных машинах эта э. д. с. возникает в результате вращения Ф относительно коммутируемых секций. Величина э. д. с. е1р не зависит от нагрузки'

машины, эта э. д. с. существует также при неподвижной машине н сдвинута но фазе относительно э. д. с. ег.

Наличие трансформаторной э. д. с. и трудности ее компенсации являются основной причиной затрудненных условий коммутации к. м. п. т., в частности многофазных коллекторных двигателей, работающих на принципе вращающе­ гося магнитного поля и не имеющих добавочных полюсов.

Трехфазные коллекторные двигатели с параллельным возбуждением с пита­ нием через статор. Наряду с трехфазными двигателями с параллельным возбуж­ дением с двойным комплектом щеток строятся также трехфазные коллекторные двигатели с параллельным возбуждением (рис. 42-5) с первичной обмоткой 1,

Отсутствие контактных колец в первичной цепи позволяет строить двигатели с питанием через статор на высокое напряжение. Эти двигатели выпускаются на мощности до Рв = 1500 кеш, хотя обычно Р„ = 150 -г- 200 кем. Характери­ стики двигателей с питанием через статор н через ротор практически одинаковы.

Трехфазные коллекторные двигатели с последовательным возбуждением (рис. 42-6) имеют последовательное соединение обмотки статора и обмотки ротора, присоединенной к коллектору. В двигателях высокого напряжения применяется трансформатор, который включается между сетью н обмотками статора и ротора. В обмотке ротора индуктируется э. д. с. от вращающегося поля. Крометого, в цепь ротона вводится Добавочная 3. д. с. или напряжение, так как обмотка ротора соеди­ нена последовательно с обмотиой статора и напряжение сети распределяется между этими двумя обмотками.

Рассматриваемый двигатель развивает вращающий момент в случае, когда угол а между осью фазы обмотки статора и осью соответствующей эквивалентной фазы ротора (рис. 4235) отличен от нуля и 180°, так как в' противном случае оси магнитных потоков, создаваемых обмотками статора в роторе, совпадают и каса-

тельные механические усилия, действующие на ротор, равны нулю. Обычно щетки сдвигают против направления вращения поля. В этом случае ротор вращается по направлению поля, вследствие чего частота перемагничивання ротора и величина

на рнс. 42-7, где штриховая линия разделяет области устойчивой (/) и неустойчи­ вой (2) работы. В устойчивой области эти характеристики подобны характеристи­ кам последовательного двигателя постоянного тока. Для регулирования скорости вращения двигатель снабжается механизмом поворота щеток. Пуск двигателя про­ изводится при а « 160°.

§ 42-3. Каскады асинхронных двигателей с коллекторными машинами переменного тока

В § 28-3 были рассмотрены каскады фазных асинхронных двигателей с маши­ нами постоянного тока для регулирования скорости вращения. Некоторое приме­ нение нашел ряд други? разновидностей каскадов. В частности, если на рнс. 28-14 выпрямитель и машину постоянного тока заменить одноякорным преобразовате­ лем обычного типа (см. § 41-1) с независимым возбуждением, то получится каскад с одноякорным преобразователем. В настоящее время каскады с одноякорными преобразователями потеряли свое значение.

Для регулирования скорости вращения фазных асинхронных двигателей были разработаны также каскады с коллекторными машинами переменного тока. Наибольшее распространение получил каскад с компенсированной коллекторной машиной, рассматриваемый ниже. Отметим, что каскады с коллекторными маши­ нами переменного тока отличаются от трехфазных коллекторных машин парал­ лельного возбуждения в сущности тем, что в каскадах источник добавочной э. д. с. частоты скольжения, вводимой во вторичную цепь асинхронной машины, выполняется в виде отдельной коллекторной машины. Эго дает возможность уве­ личить мощность установки.

Рассмотрим сначала некоторые коллекторные машины, применяемые в ка­ скадах.

Явнополюсная трехфазная компенсированная коллекторная машина, пред­ ложенная А. Шербиусом в 1906 г. (рис. 42-8), имеет на статоре на протяжении каж­ дого двойного полюсного деления три явновыраженных главных полюса /, на ко­ торых расположены обмотки возбуждения 4 различных фаз. Поэтому потоки отдельных полюсов сдвинуты в пространстве на 120° и пульсируют во времени со сдвигом по фазе также на 120°. Вследствие этого приближенно можно считать, что обмотки возбуждения создают синусоидально распределенное вращающееся

Рис. 42-8. Магнитная система (а) и принципиальная схема (б) трехфазной ком­ пенсированной коллекторной машины Шербиуса

поле. На-роторе 3 имеется обмотка типа якорных обмоток постоянного тока, при­ соединенная к коллектору, на котором размещена трехфазвая система щеток. В полюсных наконечниках размещена компенсационная обмотка 5 для компен­ сации н. с. ротора.-Обмотка ротора с последовательно соединенными компенса­ ционными обмотками составляет трехфазную главную, или рабочую, цепь машины. Между главными полюсами статора расположены добавочные полюсы 2 для улуч­ шения коммутации. Каждый добавочный полюс имеет две обмотки. Одна из них включается последовательно в соответствующую фазу главной цепи и предна­ значена для компенсации реактивной э. д. с. коммутируемых секций, а вторая включается последовательно в соответствующую фазу обмотки возбуждения и предназначена для компенсации трансформаторной э. д. с. (обмотки добавочных полюсов на рис. 42-8, б не показаны). Чтобы стороны коммутируемых секций рас­ полагались под добавочными полюсами, шаг обмотки ротора укорочен на */зтБлагодаря такому устройству машина имеет относительно хорошую комму­ тацию.

Так как н. с. обмоток ротора и компенсационной равны и направлены встреч­ но, то этр обмотки создают только потоки рассеяния. Вращающийся поток возбуж­ дения при я = 0 индуктирует в обмотках ротора и компенсационной э. д. с., равные по величине и противоположные по знаку. Поэтому при п — 0 э. д.'С.

в рабочей цепи Е3 = 0. Однако при вращающемся роторе (я > 0) скорость вра­ щения поля возбуждения относительно ротора изменяется и э. д. с. обмотки ротора уменьшается (при вращении по полю). Поэтому на зажимах главной цепи будет действовать э. д. с., пропорциональная потоку возбуждения и скорости вращения. Частота ее при всех условиях равна частоте тока возбуждения /4 = /2. Таким обра­ зом, рассматриваемая машина по своим свойствам аналогична машине постоянного тока с независимым или параллельным возбуждением в зависимости от схемы вклю­ чения обмотки возбуждения. Она может работать как в режиме генератора, так

ив режиме двигателя.

М.П. Костенко и Н С Япольский предложили также неявнополюсную трех­ фазную компенсированную машину с распределенной обмоткой возбуждения. По принципу действия эта машина аналогична машине Шербиуса, но лишена доба­ вочных полюсов.

Коллекторный преобразователь частоты в простейшем случае состоит только из ротора, на котором имеется обмотка, соединенная с коллектором и контактными кольцами, как и в одноякорном преобразо­

Ввателе (см §41-1). Пазы ротора закрытые,

образуемая энергия потребляется из первич­ ной цепи. Фазу вторичного напряжения можно регулировать поворотом щеток на коллекторе.

Каскад асинхронного двигателя е компенсированной коллекторной машиной (рис. 42-10) является наиболее распространенным коллекторным каскадом. В этом каскаде вторичная обмотка главного асинхронного двигателя АД через контактные кольца соединена с главной цепью компенсированной кол­ лекторной машины КМ. В электрическом Каскаде КМ расположена на одном валу со вспомогательной асинхронной или синхронной машиной ВМ. Главный двигатель АД приводит во вращение рабочую машину РМ, напррмер прокат­ ный стан.

Обмотка возбуждения ОВ коллекторной машины КМ питается током частоты скольжения ^ от колец АД через регулируемый автотрансформатор АТ. Последовательно с ОВ включен также преобразователь частоты ПЧ небольшой мощности, который питается от сети через трансформатор. Если числа полюсов АД

с передаточным числом, равным отношению чисел полюсов этих машин. Благо­ даря этому частота на щетках ПЧ всегда равна частоте скольжения АД, вслед­ ствие чего и возможно питание ОВ от указанных двух источников — от колец

АД и ПЧ.