книги из ГПНТБ / Хайдуков, О. П. Электрооборудование судов учебник

напряжения, а соответственно и на величину его среднего значения. При этом с ростом угла а происходит уменьшение среднего значе­ ния выпрямленного напряжения U0. При а = 90° в рассматривае­ мой схеме По становится равным 0, и выпрямитель считается пол­

Преобразование постоянного тока в переменный (инвертирова­ ние). Преобразование постоянного тока в переменный может осу­ ществляться с помощью статических преобразователей-инверторов. Работа инверторов основана на использовании управляемых вен­ тилей— ионных (тиратроны, “Экситроны, игнитроны) и полупровод­ никовых (тиристоры), а также полупроводниковых триодов (тран­ зисторы) в ключевом режиме. Изменение направления тока в на­ грузке при питании от сети постоянного тока достигается в инвер­ торе соответствующим чередованием замкнутого и разомкнутого состояния вентилей. Управляемые вентили играют роль ключей — переключателей тока,' каждые полпериода изменяющих его направ­ ление в нагрузке.

Возможны два принципиально различных режима работы ин­ верторов.

Зависимый, или ведомый сетью, инвертор преобразует энергию постоянного тока и отдает ее в сеть переменного тока большой мощ­ ности (по сравнению с мощностью инвертора). Имеющиеся в сети мощные источники определяют частоту, величину и форму кривой

60

В качестве примера рассмотрим работу автономного однофазно­ го мостового инвертора, схема которого приведена на рис. 34, а. Инвертор состоит из четырех управляемых вентилей, например, тиристоров В1—В4. Как ионные, так и полупроводниковые управ­ ляемые вентили имеют неполную управляемость, т. е. с помощью управляющего электрода можно лишь включить, но нельзя выклю­ чить их. Для запирания проводящего вентиля необходимо какимлибо образом прервать прохождение тока через него, для чего нужно подать и в течение определенного интервала, называемого временем восстановления управляемости, поддерживать нулевое или отрицательное напряжение на его аноде относительно катода. Именно для этих целей и служит коммутирующий конденсатор С,

61

сов, подаваемых на управляющие электроды тиристоров, задается системой управления (СУ).

Допустим, что в момент времени tx включается пара вентилей В1 и В2, рабочий ток I при этом распределяется между конденсатором (ic ) и нагрузкой (iR ). Конденсатор заряжается (кривая ис , рис. 34,6), приобретая потенциалы, указанные на схеме без скобок.

Падение напряжения на вентилях В1 и В2 равно нулю (рис. 34, в). Напряжение на нагрузке hr и напряжения на невключенных вентилях ВЗ, В4 (рис. 34, г) повторяют по форме напряже­ ние ис- Через полпериода рабочей частоты в момент времени ti схе­ ма управления посылает импульсы на открытие вентилей ВЗ и В4. На весьма короткое время все четыре вентиля оказываются откры­ тыми, и конденсатор разряжается по трем направлениям: через вентиль В1 и включившийся вентиль ВЗ навстречу рабочему току i; через включившийся вентиль В4 и вентиль В2 навстречу рабоче­ му току г; через нагрузку. Разряд конденсатора на источник по­ стоянного тока исключается, так как этому препятствует дроссель L с большой индуктивностью. Под действием тока разряда и обрат­ ных напряжений вентили В1 и В2 практически мгновенно закры­ ваются, входной ток /0 переключается на вентили ВЗ и В4, и ток i течет теперь в обратном направлении. Конденсатор перезаряжает­ ся, приобретая потенциалы (показанные на рис. 34, а в скобках), и тем самым подготавливаются условия для осуществления комму­ тации в следующий полупериод, когда в момент времени t3 ток i должен перейти с вентилей ВЗ и В4 на вентили В1 и В2.

Хотя форма кривой напряжения на нагрузке uR и кривой тока i (см. рис. 34, б) существенно отличается от синусоидальной, можно сказать, что ток i опережает напряжения uR на некоторый угол р, так как нагрузка R, С носит в целом активно-емкостный характер.

Втечение времени, характеризуемого углом р, конденсатор С под­ держивает на аноде закрывающегося вентиля отрицательное на­ пряжение (см. рис. 34, в), необходимое для восстановления управ­ ляемости тиристора.

Рассмотренный автономный инвертор называют параллельным, так как коммутирующая емкость включена параллельно нагрузке.

Впоследовательных инверторах конденсатор включается с нагруз­ кой последовательно.

Существуют также и другие способы осуществления коммутации управляемых вентилей.

Многофазные схемы автономных инверторов позволяют полу­ чить на выходе напряжения, близкие по форме к синусоидальным.

Применение автономных инверторов на судах возможно в схе­ мах электроснабжения потребителей переменного тока от резерв­ ных или аварийных источников постоянного тока, в схемах питания сетей повышенной частоты, питания высокоскоростных асинхрон­ ных двигателей, частотного регулирования синхронных и асинхрон­ ных двигателей, индукционного нагрева, люминесцентного осве­ щения.

62

Глава IV

Усилители

§ 12. Электромашинные усилители (ЭМУ)

Усилителем называется устройство, в котором посредством сигнала малой мощности (входная величина Рвх) управляют срав­ нительно большой мощностью (выходная величина РВЫх). При этом выходная величина является функцией входной величины, а усиле­ ние происходит за счет энергии внешнего источника (рис. 36).

По виду управляемой энергии усилители можно разделить на электрические, пневматические, гидравлические, механические.

Рассматриваемые в данной главе электрические усилители в свою очередь подразделяются на электронные, тиратронные, полу­ проводниковые, сегнетоэлектрические, магнитные и электрома­ шинные. Первые пять являются статическими, а электромашин­ ные — вращающимися усилителями.

В усилителях используется устройство, чувствительное к изме­ нениям входной величины и управляющее энергией источника пи­ тания. В электронных усилителях таким устройством является электронная лампа, в полупроводниковых — полупроводниковый

элемент и т. д.

Усилители характеризуются коэффициентами усиления по току ki, напряжению ku и мощности kp, а также инерционностью или быстро­ действием.

Коэффициенты усиления при установившемся режиме определя­ ются следующими выражениями:

Быстродействие усилителя определяется временем переходного процесса от одного режима работы усилителя к другому. При боль­ шом быстродействии усилитель обладает малой инерционностью. На судах наибольшее применение нашли электромашинные, маг­ нитные, электронные и полупроводниковые усилители.

64

источнику постоянного тока, напряжение которого вызывает появ­

дится э. д. с. Ei, максимальное значение которой получается меж­ ду щетками 1—1, установленными на нейтрали машины. Щетки 1—1 замкнуты накоротко. Благодаря этому по якорю машины про­ ходит ток короткого замыкания h, который при малом сопротив­ лении цепи якоря значительно превышает ток возбуждения /у.

Ток /,, проходя по обмотке якоря, создает м. д. с. поперечной реакции якоря F q и поперечный магнитный поток Фд, направленный поперек потока Фу и значительно превышающий его по величине. Обмотка управления и цепь обмотки якоря, замкнутая щетками 1—1, представляют собой первую ступень усиления.

Поперечный магнитный поток Ф9 в ЭМУ является рабочим пото­ ком и намагничивает машину так, как будто по поперечной оси на­ ходится еще пара магнитных полюсов. Этот поток является потоком возбуждения второй ступени усиления. Он индуктирует в обмотке якоря еще одну э. д. с. Е%, максимальное значение которой полу­ чается между щетками 2—2, установленными у ЭМУ поперечного поля перпендикулярно плоскости щеток 1— 1. Если к щеткам 2—2 усилителя подключить сопротивление нагрузки Е>„, то ток / 2, назы­ ваемый рабочим током усилителя, проходя по якорю машины, в свою очередь создает м. д. с. реакции якоря Fd, направленную навстречу м. д. с. F у и, следовательно, размагничивающую усилитель. Для нейт­ рализации действия м. д. с. Fa на полюса усилителя накладывают дополнительную, так называемую компенсационную обмотку К, ко­ торая включается в цепь нагрузки последовательно. Витки этой об­ мотки подбирают так, чтобы ее м. д. с. F K по величине была близка к м. д. с. реакции якоря Fa и направлена ей навстречу.

66

Практически компенсационную обмотку делают несколько боль­ шей, чем требуется для обеспечения полной компенсации реакции якоря, и шунтируют регулируемым сопротивлением RK, которое по­ зволяет в случае необходимости получить нужную степень компен­ сации якоря. Недокомпенсация или перекомпенсация последней да­ же в небольших пределах значительно сказывается на характери­ стиках машины. На рис. 38, б представлены внешние характеристи­ ки усилителя U2 — f (12) при различной степени компенсации, где U2, h — напряжение и ток в нагрузке. При полной компенсации напряжение изменяется мало, главным образом за счет падения напряжения в сопротивлении цепи якоря (прямая 1). При недокомпенсации падение напряжения с увеличением тока нагрузки бу­ дет создаваться не только потерей напряжения в якоре, но и в большей мере реакцией якоря (кривая 2). При перекомпенсации напряжение усилителя повышается с увеличением тока нагрузки (кривая 3). Применяя небольшую перекомпенсацию, можно до­ биться того, что увеличение м. д. с. FK и соответственно потока Фк с увеличением тока нагрузки будут точно компенсировать возраста­ ние потери напряжения в якоре ЭМУ. При таких условиях напря­ жение усилителя будет не зависимым от нагрузки (прямая 4).

При значительной перекомпенсации возможно самовозбуждение усилителя, т. е. самопроизвольный рост его напряжения и тока нагрузки при неизменяющейся величине тока в обмотке уп­ равления.

Коммутация в ЭМУ происходит как под продольными (выход­ ными), так и под поперечными (короткозамкнутыми) щетками. Для улучшения коммутации над выходными щетками в конструк­ ции магнитной системы предусмотрены дополнительные полюса Д. В целом коммутация в ЭМУ не вполне удовлетворительна, и за со­ стоянием коллектора' и щеток необходим постоянный контроль.

Как было сказано, ЭМУ с поперечным полем является двухсту­

коэффициент равен произведению коэффициентов усиления первой и второй ступеней.

Коэффициент усиления по мощности у электромашинных усили­ телей с поперечным полем достигает 10 000 и может превышать это значение.

Инерционность электромашинного усилителя с поперечным по­ лем относительно мала и определяется в основном постоянной вре­ мени замкнутой накоротко цепи якоря, так как постоянная времени обмотки управления значительно меньше постоянной времени цепи

Приводим некоторые технические данные двухступенчатого усилителя с поперечным полем типа ЭМУ 1000: мощность на выхо­ де Ри=100кВт, напряжение U = 400 В, ток /= 2 2 7 А, частота вра­ щения д=1500 об/мин, мощность управления Ру= 4 Вт, коэффи­ циент усиления &=25 000, постоянная времени т=0,327 с, количе­ ство обмоток управления — 6, вес — 1320 кг-

ЭМУ с продольным полем (рототрол). ЭМУ с продольным по­ лем выполняют с одной, двумя, тремя и более ступенями усиле­

39, а).

Рассмотрим сначала работу генератора с одной обмоткой — об­ моткой самовозбуждения. Одно из условий самовозбуждения маши­ ны постоянного тока состоит в том, что сопротивление цепи обмотки возбуждения гсв должно быть меньше некоторого сопротивления гк, называемого критическим. Если гсв = гк, то вольт-амперная характе­ ристика цепи возбуждения (прямая /, рис. 39, б) будет касательной к характеристике холостого хода машины Е = / {Fсв) и возбуждение машины невозможно. Понизив сопротивление цепи возбуждения, т. е. сделав его меньше критического, получим вольт-амперную характе­ ристику цепи возбуждения (прямая 3), которая пересечется с харак­ теристикой холостого хода в точке А. Точка А определит э. д. с.

независимого возбуждения (обмотку управления) подать сигнал, соз­ дающий м. д. с. Ey = IyWy. В этом случае вольт-амперная характе­ ристика переместится параллельно прямой 1 на величину м. д. с.

68

F у = / у ®у и займет положение прямой 2. Нетрудно заметить, что э. д. с. Е создается теперь м. д. с. возбуждения

F a = Fee + Fy,

где F св — м. д. с. обмотки самовозбуждения.

Как видно из рис. 39, б, незначительные изменения тока управ­ ления, а соответственно и м. д. с. обмотки управления, могут приве­ сти к изменению э. д. с. Е в довольно широких пределах. Это зна­ чит, что и ток нагрузки значительно изменится. Таким образом, обмотка управления служит для создания м. д- с., необходимой для перевода машины из одного режима работы в другой. Коэф­ фициент уоиления по мощности одноступенчатого ЭМУ с продоль­ ным полем достигает 500—700.

Двух- и особенно трехступенчатые ЭМУ с продольным полем обладают более высоким коэффициентом усиления и меньшей инерционностью и сравнимы по этим показателям с ЭМУ с попе­

моток управления — 4, вес — 2020 кг, : ЭМУ с продольным и поперечным полем обладают рядом до­

стоинств, главными из которых являются: большой коэффициент усиления по мощности; малая входная мощность, позволяющая пи­ тать обмотки управления от электронных и полупроводниковых усилителей; достаточное быстродействие, т. е. малые постоянные времени цепей усилителя; возможность изменения характеристик за счет изменения степени компенсации; высокая перегрузочная способность и т. д.

К числу недостатков ЭМУ следует отнести: относительно боль­ шие габариты и вес; наличие вращающихся частей; наличие слабо­ го с точки зрения надежности звена коллектор-щетки.

ЭМУ нашли широкое применение в системе автоматического регулирования и автоматизированного электропривода как в бере­ говых условиях, так и на судах. Они используются в качестве воз­ будителей машин постоянного и переменного тока. В электроприво­ дах, работающих по системе генератор-двигатель (Г-Д), вместо обычных генераторов постоянного тока все большее применение находят ЭМУ с поперечным полем. Широко применяются ЭМУ в схемах поддержания постоянства и автоматического регулиро­ вания напряжения на зажимах генераторов. На дизель-электрохо­ дах («Лена», «Обь», «Енисей» и д р ) ЭМУ используются в схемах автоматических регуляторов мощности гребных электрических

69