§ 4.7. Генераторы постоянного тока специального назначения

Кроме описанных выше генераторов постоянного тока, применяемых в качестве основных источников тока, изготовляются специальные генераторы постоянного тока, например генераторы с тремя обмотками, электросварочные генераторы, электромашинные усилители и др.

Электрические генераторы с тремя обмотками (генераторы с размагничивающей обмоткой) применяются в ряде схем судовых электрических приводов, в частности в схемах генератор — двигатель.

Ряд судовых электрических двигателей работает с резкопеременной нагрузкой, например рулевые электрические приводы. В отдельных случаях возможно полное затормаживание двигателей. При этом в обмотке якоря развивается ток весьма большой величины, который может вызвать аварию машины, если напряжение питающей сети не будет снижено. Применение генераторов с размагничивающей обмоткой позволяет автоматически снижать напряжение в сети при опасных перегрузках электрических двигателей.

Электрические генераторы с размагничивающей обмоткой имеют три обмотки возбуждения: обмотку независимого возбуждения ОНВ, получающую питание от постороннего источника тока; обмотку параллельного возбуждения ОПВ и обмотку последовательного возбуждения ОПСВ. Магнитные потоки обмоток независимого и параллельноговозбуждения складываются и образуют общее магнитное поле машины. Магнитный потокобмотки последовательного возбуждения направлен навстречу основному магнитному потоку и ослабляет его.

Витки обмоток рассчитаны таким образом, что при номинальных нагрузках и небольших перегрузках действие размагничивающей обмотки (последовательного возбуждения) незначительно. При больших перегрузках, когда ток в цепи якоря достигает опасных значений, размагничивающее действие обмотки последовательного возбуждения вызывает резкое снижение общего магнитного потока машины, что в свою очередь ведет к понижению напряжения на зажимах генератора.

На рис. 4.18 показана схема генератора с размагничивающей обмоткой и его соединение с двигателем исполнительного механизма. Как видно из схемы, обмотка якоря двигателя включена последовательно с обмоткой якоря генератора и его размагничивающей обмоткой.

В современных схемах автоматического управления широкое применение находят электромашинные усилители (ЭМУ). Эти машины позволяют при малой мощности управления получить на выходе достаточно большую мощность.

Электромашинный усилитель ЭМУ (рис. 4.19) представляет собой генератор постоянного тока с независимым возбуждением, обычно двухполюсный, в котором используется поперечный поток реакции якоря. Он создается током, протекающим по цепи замкнутых накоротко щеток, расположенных по поперечной оси якоря.

Следует иметь в виду, что любой генератор с независимым возбуждением является усилителем мощности. Если мощность, приложенную к обмотке возбуждения, принять за «входную», а мощность, развиваемую на зажимах генератора,— за «выходную», то коэффициент усиления генератора будет определяться отношением

. (4.5)

Увеличение мощности на выходе получается за счет мощности двигателя, приводящего во вращение генератор.

Якорь электромашинного усилителя подобен якорю обычной машины постоянного тока, отличие лишь в том, что у ЭМУ на коллектор наложены две пары щеток — по продольной оси щетки /—1 и по поперечной оси щетки 2—2. Поперечные щетки замкнуты накоротко. Статор ЭМУ поперечного поля мощностью до 20квт обычно выполняется с неявновыраженными полюсами. В пазах статора размещаются две или несколько обмоток управления компенсационная обмоткаКО, поперечная подмагничивающая обмотка ПО и обмотка дополнительных полюсов ДО. Добавочные полюсы ставятся только по продольной оси.

Принцип действия ЭМУ заключается в следующем. К управляющей обмотке подводится незначительная мощность. Токв обмотке якоря создает продольный поток, который при вращающемся якоре наводит в цепи короткозамкнутых щеток2—2 сравнительно небольшую э. д. с. . На щетках 1—1 э. д. с. будет равна нулю. Сопротивление короткозамкнутой цепи щеток 2—-2 незначительно, и ток цепи будет достаточно большим. Этот ток создает сильное поперечное поле, которое наводит в обмотке якоря э. д. с., максимальное значение которой будет действовать на выходных зажимах щеток 1—1.

При включении нагрузки по внешней цепи и обмотке якоря ЭМУ будет протекать ток . В обмотке якоря токсоздаст поток продольной реакции якоря, который направлен навстречу потоку управления. Для компенсирования размагничивающего потока продольной реакции якоря служит компенсационная обмоткаКО, включенная последовательно в цепь щеток 1—1, в результате чего по ней протекает ток и действие ее пропорционально нагрузке. Для более точной компенсации нередко параллельно компенсационной нагрузке включают регулируемое сопротивлениеR, с помощью которого производится настройка на оптимальный режим работы ЭМУ. Для улучшения условий коммутации продольных щеток 1—1, через которые проходит весь ток нагрузки , служат дополнительные полюсы с обмоткой, включенной последовательно с компенсационной обмоткой. Так как по поперечной оси машины дополнительные полюсы обычно не ставят, то для улучшения условий коммутации поперечных щеток2 — 2 иногда применяют поперечную подмагничивающую обмотку, включенную в короткозамкнутую цепь

якоря. Магнитный поток подмагничивающей обмотки направлен согласно с потоком поперечной реакции якоря, что позволяет несколько уменьшить ток и тем облегчить условия работы щеток2-2.

Как следует из рассмотрения принципа действия ЭМУ, эта машина является усилителем с двумя ступенями усиления: первая ступень цепь управления — короткозамкнутая цепь щеток 2—2 и якоря, в которой усиливается мощность мощности , и вторая ступень короткозамкнутая цепь щеток 2—2 и якоря — цепь нагрузки, в которой усиливается мощность до мощности.

Отсюда коэффициент усиления ЭМУ определяется отношением

. (4.6)

Общий коэффициент усиления достигает 10000. Так, изменяя подводимую к управляющей обмотке мощность на 1вт, можно на выходе усилителя получить изменение мощности на 10 квт.

ЭМУ обладают рядом существенных достоинств: высоким коэффициентом усиления (до 10 000); малой инерционностью, быстродействием; способностью легко обеспечивать изменение полярности на выходе в соответствии с ее изменением на входе; высокой перегрузочной способностью (до 3-кратной по току нагрузки при номинальном напряжении и 3—5-кратной форсировки по току управления).

Промышленностью изготовляются электромашинные усилители мощностью от долей киловатта до 20 квт и более.

На рис. 4.20п_Риведена схема использования ЭМУ с поперечным полем для поддержания постоянства напряжения на зажимах генератора постоянного тока. Здесь применен ЭМУ с двумя обмотками управления и. В выходную цепь ЭМУ включена обмотка независимого возбуждения генератора постоянного тока. Обмотка управленияпитаётся от независимого источника постоянного тока, а обмотка управленияподключена к зажимам регулируемого генератора.

Процесс поддержания постоянства напряжения на зажимах генератора постоянного тока (рис. 4.20, а) протекает следующим образом. Намагничивающие силы обмоток управления и направлены встречно. Результирующая намагничивающая сила, определяющая возбуждение ЭМУ, равна алгебраической разности намагничивающих сил управляющих обмоток. Если напряжение на зажимах генератора почему-либо уменьшится, например вследствие увеличения нагрузки, то уменьшится и поток обмотки, результирующая намагничивающая сила ЭМУ возрастет, его напряжение увеличится, соответственно возрастет ток возбуждения в цепи обмотки возбуждениягенератора, и напряжение на его зажимах восстановится.