книги из ГПНТБ / Головин Ю.К. Судовые электрические приводы. Устройство и эксплуатация учебник

торов скорости, а затем включается другой. На время, пока оба контак­ тора выключены, электродвигатель оказывается отсоединенным от се­ ти и не развивает вращающего момента. Если статический момент по­ тенциальный, например если приводится в действие грузоподъемный механизм, то из-за обесточивания электродвигателя может начаться падение груза. Поэтому для безопасности приходится на время пере­ ключения скоростей притормаживать электродвигатель механическим тормозом. Это приводит к большим толчкам пускового тока, ускоряет износ тормозов. В связи с этим применяют и другой вариант переклю­ чения скоростей: сначала включают второй контактор скорости, а за­ тем выключают первый. На некоторое время обе обмотки оказываются включенными одновременно. Если время включения невелико, то это неопасно, но если переключения скоростей происходят часто и общее время включения обеих обмоток за цикл работы больше, электродвига­ тель может недопустимо перегреться. Происходит это потому, что элек­ тродвигатель вращается с частотой, близкой к синхронной, соответ­ ствующей работе на тихоходной обмотке, а по быстроходной обмотке при таких малых частотах вращения протекает ток, ненамного мень­ ший, чем пусковой.

В связи с указанными недостатками описанной схемы в последние годы широко применяют схему, приведенную на рис. 119, б. Согласно

этой схеме обмотки статора соединены последовательно. При включе­ нии контактора первой скорости 1C работает только тихоходная обмот­

ка (она подключается к сети линейным контактором или контактором направления). Быстроходная обмотка замкнута в этом режиме накорот­ ко. При срабатывании контактора второй скорости 2С работает быстро­

ходная обмотка, а замкнутой оказывается тихоходная. В момент пе­ реключения контакторов, когда оба они обесточены, обмотки оказыва­ ются соединенными последовательно и продолжают получать питание из сети. Вращающий момент электродвигателя в это время достаточ­ ный, чтобы предотвратить падение груза, поэтому притормаживать электродвигатель не надо. Нагрев электродвигателя даже при некото­ ром затягивании процесса переключения не превосходит допустимого. Таким образом, эта схема лишена недостатков предыдущей. Правда, в замкнутой накоротко обмотке при работе электродвигателя индук­ тируется э. д. с. и по ней протекает ток. Однако современные судовые двухскоростные электродвигатели серии МАП-IOO-GOO построены так, что этот ток небольшой и неопасный.Поэтому рассмотренная схема рас­ пространена.

Контакторы, управляющиеся трехскоростными электродвигате­ лями, обычно включают по схеме, показанной на рис. 119, в. При срабатывании контакторов первой скорости 1C к сети подключается

тихоходная обмотка, соединенная треугольником. Следующая скорость получается при включении двух контакторов второй скорости 2С и 21C.

Второй контактор соединяет начала и концы фазных обмоток в общую точку, а первый подключает середины этих обмоток к сети. Поэтому тихоходная обмотка оказывается включенной по схеме двойной звезды и электродвигатель удваивает частоту вращения. Третий контактор скорости ЗС подключает к сети быстроходную обмотку.

200

§ 48. Магнитные усилители

Усилители — это устройства, дающие возмож­ ность управлять получением энергии, необходимой для питания мощ­ ных приводов при помощи весьма малых управляющих сигналов. В схемах автоматического управления электроприводами применяют усилители, которые при незначительном изменении управляющего тока, поступающего от чувствительных датчиков на вход усилителя,

Рис. 120. Дроссель насыщения (а), его кривая намагничивания (б) и характери­ стика управления (в)

пропорционально изменяют во много раз большие токи на выходе усилителя. Это приводит, в свою очередь, к изменению состояния управляемых электроприводов весьма большой мощности. Энергия в процессе усиления поступает извне — из питающей сети или от дру­ гого источника; сам усилитель энергию не вырабатывает, он только подает ее потребителю в различных количествах в зависимости от управляющего сигнала.

Наряду с широко известными электронными и ионными усилите­ лями в схемах автоматики имеют большое распространение магнитные усилители, применяющиеся в последние годы и для управления судо­ выми электроприводами.

Схема простейшего магнитного усилителя, называемого дросселем насыщения, представлена на рис. 120, а. При изменении постоянного тока ix в управляющей обмотке -УО изменяется напряженность Н

магнитного поля, создаваемого этой обмоткой. Вследствие этого изме­ няется индукция В н относительная магнитная проницаемость сердеч-

ника (Хст = -jj- (рис. 120, б). Индуктивность L рабочей обмотки РО,

питающейся от сети переменного тока, прямо пропорциональна маг­ нитной проницаемости:

201

Изменение индуктивности приводит к изменению индуктивного со­ противления рабочей обмотки X — u)L и рабочего тока i„. Следователь­ но, изменение тока iL приводит к изменению тока L,. Эта зависимость

называется характеристикой управления усилителя. Она показана на рис. 120, в. Чем круче кривая намагничивания В — f (Н ), тем круче

проходит эта характеристика и тем меньшим изменениям тока г\ соот­ ветствуют одинаковые, но гораздо большие изменения тока и.

При значительном намагничивании сталь сердечника насыщается, и величина магнитной проницаемости приближается к минимальному значению, равному проницаемости воздуха: р0 — 4л10-7 Гн/м. Иными словами, весь поток Ф вытесняется из стали и замыкается через воздух и индуктивность рабочей обмотки становится почти равной нулю.

Рис. 121. Варианты исполнения простейших дроссельных магнитных усилителей

Аналогично изменяется и мощность на выходе усилителя Р 2, вы­ деляемая в сопротивлении R 2 в зависимости от мощности на входе Ръ выделяемой в управляющей обмотке. Поэтому коэффициент усиле­

ния усилителя по мощности

где Р 20— мощность на выходе при PL --- 0, тоже зависит от крутизны

кривой намагничивания. В свою очередь, она зависит от материала сер­ дечников. Сердечники магнитных усилителей делают поэтому из высо­ кокачественной трансформаторной стали или пермаллоя.

В дросселе насыщения выходной ток t2 вызывает появление пере­ менного потока, который индуктирует в управляющей обмотке пере­ менную э. д. с., искажающую входной сигнал.

Во избежание этого недопустимого явления применяются специаль­ ные схемы соединения дросселей насыщения. На рис. 121, а, б даны

схемы включения двух дросселей насыщения, число витков рабочих обмоток и обмоток управления одинаково. Рабочие обмотки включены встречно-последовательно, а обмотки управления согласно-последова­ тельно. Как ясно из схемы, мгновенные значения переменных магнит­ ных потоков Ф' и Ф" имеют разные направления, и, следовательно,

вкатушках обмотки управления индуктируются встречно направлен­ ные э. д. с. в[ и е'г и взаимно компенсируются. Компенсацию э. д. с.

вобмотках управления можно получить также при согласно-последо­

202

вательном включении рабочих обмоток и встречно-последовательном включении обмоток управления.

В некоторых случаях (рис. 121, б) односекцноиную управляющую

обмотку размещают на обоих магнптопроводах. Возникающие в ней э. д. с. от одинаковых потоков Ф' и Ф" компенсируют друг друга, и суммарная э. д. с. равна нулю. Можно также объединить два магнитопровода в один общий трехстержневой (рис. 121, в). Тогда в среднем

стержне переменный поток равен нулю и э. д. с. в управляющей обмот­ ке не возникает.

В современной практике встречаются п другие весьма разнообраз­ ные формы магнитопроводов усилителей, а также различные варианты расположения обмоток на их сердечниках.

Рис. 122. Дифференциальный магнитный усилитель

Применяются также усилители с двумя или несколькими обмотками управления, подключенными к различным датчикам. В этом случае выходной ток усилителя зависит от алгебраической суммы н. с., созда­ ваемых входными токами.

Характеристики управления дроссельных усилителей не проходят через нуль — по рабочай обмотке протекает ток, даже если ix — 0.

Кроме того, изменение полярности напряжения на входе этих усили­ телей не приводит к изменению фазы напряжения на выходе. Поэтому применять их в таком виде в схемах следящего управления невозмож­ но. Для создания нужной характеристики управления два трехстерж­ невых дроссельных усилителя соединяют по так называемой двухтакт­ ной схеме — получается дифференциальный или реверсивный магнит­ ный усилитель (рис. 122). Ток iL управляющей двухсекционной обмот­ ки УО образует в средних стержнях обоих магнитопроводов напряжен­

ности Ду, направленные в разные стороны. Рабочая четырехсекционная

203

обмотка РО присоединена ко вторичной обмотке трансформатора Тр,

питающегося от сети, а между серединами этих обмоток включено со­

во втором магнитопроводе, а вычитание— в первом. В результате ток Я окажется не больше, а меньше тока С и фаза тока Я = г" — Я = = кп изменится на противоположную.

Следовательно, управляющая характеристика дифференциаль­ ного усилителя Я = / (Я) оказывается линейной и проходящей через нуль (рис. 123, б), т. е. как раз такой, какая нужна для следящего управления. При больших управляющих сигналах индуктивность рез­ ко снижается до Lmla, но из-за насыщения магнитолровода она больше

не уменьшается. Ток Я, обусловленный этой индуктивностью, а также активным сопротивлением рабочей обмотки и сопротивлением на­ грузки, не может поэтому возрасти больше значения Я maxТа­ ким образом, магнитный усилитель нечувствителен к большим пере­ грузкам.

204

Коэффициент усиления рассмотренных простых усилителей не­ велик— он равен всего 50—250. Для повышения этого коэффициента применяют магнитные усилители с положительной обратной связью. Принцип действия таких усилителей заключается в том, что ток на вы­ ходе усилителя t2 выпрямляется при помощи полупроводникового вы­ прямителя и частично отводится в обмотку обратной связи, находящу­ юся на среднем стержне усилителя. Она создает дополнительную на­ пряженность магнитного поля в магнитопроводе и увеличивает этим еще больше выходной ток. Коэффициент усиления таких усилителей доходит до 3000—5000. Если обратную связь применяют для диф­ ференциального усилителя (рис. 124), то обмотка обратной связи ОС

двухсекционная — на каждом из магнитопроводов находится по одной секции. Их питают через шунты Ш от двух выпрямителей Вп, вклю­

ченных в обе половины рабочей обмотки. Направление напряженно­ стей, которые создаются этими секциями, одинаково в обоих магнитопроводах. Обмотка обратной связи выполняет в этом случае и функции обмотки дополнительного подмагничивания.

Рис. 124. Дифференциальный магнитный усилитель с обратной связью

Основные достоинства магнитных усилителей — простота, надеж­ ность и долговечность благодаря отсутствию подвижных частей. Они почти не требуют ухода, как и обычные трансформаторы. Один из не­ достатков магнитных усилителей — для работы в установках с часто­ той 50 Гц их габариты и масса должны быть очень большими. Прихо­ дится применять дополнительно к ним специальные преобразовате­ ли частоты, повышающие ее до 400—50 Гц. Кроме того, магнитные уси­ лители искажают синусоидальную форму кривой управляемого тока вследствие нелинейности кривой намагничивания в области насыщения. Поэтому усилители большой мощности вредно влияют на работу син­ хронных генераторов судовых электростанций. Самый существенный

205

недостаток магнитных усилителей— большая инерционность. На­ растание сигнала на выходе до конечной величины может продолжаться

уних до нескольких десятых долей секунды.

Впоследние годы разработаны схемы быстродействующих магнит­

ных усилителей, время переходного процесса в которых получается не больше одного периода источника питания. Имеют применение также магнитные усилители с выходом па постоянном токе. Их использу­ ют для автоматического управления электроприводами постоянного тока.

§ 49. Вращающиеся трансформаторы

Вращающиеся трансформаторы — это небольшие индукционные электрические машины, вырабатывающие на выходе ве­ личины, функцпоналыю_завпсящне_от величин па входе. Они применя-

Рис. 125. Схемы включения вращающихся трансформаторов:

а — синусно-косинусного; б — линейного; в — масштабного

ютея в качестве счетно-решающих элементов в системах автоматикеского управления, например в судовых авторулевых. Внешне они похо­ жи на сельсины. Статор и ротор вращающегося трансформатора (ВТ) неявнополюсные. В пазах статора размещены две обмотки с взаимно перпендикулярными магнитными осями — обмотка возбуждения С1 и компенсационная обмотка С2 (рис. 125). В пазах ротора находятся две также взаимно перпендикулярные вторичные обмотки — синусная Р1 и косинусная Р2. Количество витков статорных и роторных обмоток попарно одинаково: шс1 = шс2 — wc\ wpl = аир2 = wp. У вращающе­

гося трансформатора с неограниченным углом поворота подвод тока к обмоткам ротора выполнен, как у контактных сельсинов, — через щетки и кольца. У ВТ с ограниченным углом поворота ток к ротору подводится по пружинам, допускающим поворот на 340°.

В зависимости от характера вырабатываемой функции вращающиеся трансформаторы разделяют на синусно-косинусные (СКВТ), линейные (ЛВТ) и масштабные (МВТ). Все они работают при частоте 500 Гц.

206

Входное напряжение Ux СКВТ подается на обмотку возбуждения (рис. 125, а), компенсационная обмотка замыкается накоротко, а вы­ ходное напряжение U.,, зависящее от синуса или косинуса угла по­ ворота ротора а, снимается с одной из обмоток ротора или с обеих

одновременно. Оно равно соответственно

где k.r = ^ — коэффициент трансформации ВТ.

Входное напряжение ЛВТ подается на обмотку возбуждения, со­ единенную последовательно с косинусной обмоткой (рис. 125, б), а вы­

ходное снимается с синусной обмотки. Оно равно

“1 + *т

ВМВТ выходное напряжение снимается так, как показано на рис. 125, в. Трансформатор имеет устройство для поворота ротора и

фиксации его в любом положении. Поворачивая ротор на определенный угол, можно получить на выходе напряжение U2, прямо пропорци­ ональное произведению напряжения сети Ux на угол поворота а, т. е. изменить в соответствующем масштабе напряжение U±.

§50. Фазочувствительные выпрямители

Фазочувствительные выпрямители служат для преобразования сигнала переменного тока изменяемой фазы в сигнал постоянного тока изменяемой полярности. При этом выпрямленное на­ пряжение на выходе пропорционально переменному напряжению на входе.

Схема полупроводникового фазочувствительного выпрямителя пред­ ставлена на рис. 126. Он состоит из сетевого трансформатора Тр1, входного трансформатора Тр2, полупроводниковых вентилей BI и В2, сопротивлений RI и R2 и конденсаторов С1 и С2. Вторичная обмотка

сетевого трансформатора подключена к середине вторичной обмотки входного трансформатора и сопротивлениям, образуя во вторичной це­ пи выпрямителя два совершенно одинаковых контура / и II. Если на­

пряжение f/15x на входе выпрямителя равно нулю, то во вторичной це­ пи проходят токи, зависящие только от вторичного напряжения V трансформатора Тр1. В течение одного полупериода эти токи i\ и г2

текут в направлениях, показанных на рисунке стрелками. Они равны друг другу, поэтому напряжение 1Упых на выходе выпрямителя равно

нулю. В течение второго полупериода токи в обоих контурах проте­ кать не могут из-за вентилей, пропускающих ток только в одном на­ правлении. Следовательно, и на протяжении второго полупериода

^ в ы х = 0 .

Предположим, что на первичную обмотку входного трансформа­ тора поступило небольшое напряжение определенной фазы. Вследствие этого в обеих половинах вторичной обмотки возникнут э. д. с., рав­ ные друг другу по величине и одинаковые по направлению. Теперь

207

токи в каждом из контуров зависят от напряжения U' трансформатора Тр1 и половины вторичного напряжения трансформатора Т р 2 — причем U' > ( 7 7 2 .

Предположим, что фаза входного напряжения такова, что напряже­ ние ( 7 7 2 в контуре / совпадает но фазе с напряжением ( 7 ', а в контуре I I — противоположно ему. Тогда в контуре 7 напряжения складывают­ ся, а в контуре II вычитаются. Напряжение в контуре / оказывается больше, чем в контуре II, и ток i\ > (2. Создаваемые этими токами па-

Рис. 126. Схема полупроводникового фазочувствительного выпрямителя

дения напряжения на сопротивлениях RI и R2 соответственно равны: || U' + (772; (72 = (7' — (772. Токи текут навстречу друг

другу, поэтому напряжение на выходе равно разности падений напря­ жения в сопротивлениях:

Допустим, что фаза напряжения на входе противоположна. Тогда

Итак, при перемене фазы входного напряжения полярность выход­ ного напряжения изменилась на противоположную, а величина выход­ ного напряжения оказалась прямо пропорциональной входному на­ пряжению. В течение рассмотренного полупериода конденсаторы С1 и С2 заряжались до величин и х и (72. На протяжении второго полупери­ ода они разряжаются на сопротивления R1 и R2 и поддерживают в них

токи того же направления, что и в первом полупериоде.

§ 51. Тиристорные электроприводы постоянного тока

Тиристорный преобразователь в приводе посто­ янного тока выполняет те же функции, что и электромашинный в систе­ ме Г—Д, т. е. преобразование электрической энергии переменного тока в постоянный и управление двигателем (пуск, торможение, ревер-

08

сирование, регулирование частоты вращения, получение специаль­ ных механических характеристик). Основной частью такого преобразо­ вателя является полупроводниковый управляемый вентиль-тиристор. Тиристор представляет собой четырехслойную кремниевую структуру, смежные слон которой обладают различными проводимостями— типа р (дырочной) и п (электронной). Тиристор имеет три электрода: анод А, катод К и управляющий электрод УЭ (рис. 127, а).

Подача положительного потенциала па анод (область р) и отрица­ тельного на катод (область п) приводит к прямому включению первого

Ф

U)t

Ф

+ 0

Рис. 127. Тиристор:

а — структура; б — график выпрямленного напряжения; в — график

управляющего сигнала

и третьего переходов р — п и обратному включению второго перехода п — р. Подобное включение соответствует большому сопротивлению перехода п — р, и тиристор пропускает через себя ток после того, как анодное напряжение достигает значения напряжения открывания Un.

Для различных типов тиристоров оно колеблется в пределах от 50 до 1000 В. После появления тока сопротивление тиристора резко умень­ шается, и тиристор остается открытым до тех пор, пока не прекращает­ ся ток в анодной цепи. Уменьшение напряжения открывания и сниже­ ние его до значения прямого напряжения достигается изменением полярности перехода п — р и осуществляется подачей положительного

импульса на управляющий электрод. При этом тиристор открывается и независимо от наличия управляющего импульса остается открытым до тех пор, пока не прекращается ток в анодной цепи. В цепях переменно­ го тока закрытие тиристора осуществляется самопроизвольно в момент прохождения синусоидального значения тока нагрузки через нулевое значение и при отсутствии положительного импульса на управля­ ющем электроде. Поэтому для поддержания питания нагрузки следует во время каждой полуволны положительного напряжения подавать импульс на управляющий электрод. Ввиду указанных особенностей для регулирования выпрямленного напряжения с помощью тиристоров в настоящее время применяется импульсно-фазное управление, заклю­ чающееся в том, что на управляющий электрод периодически наклады­ ваются положительные импульсы с частотой питающего напряжения. Смещением этих импульсов по фазе относительно анодного напряже­ ния па угол а, называемый углом зажигания или углом отпирания тиристора, достигается некоторое запаздывание отпирающего сигнала.

209