Глава сорок вторая многофазные коллекторные машины и каскады

§ 42-1. Применение коллекторных машин переменного тока

Разработанные М. О. Доливо-Добровольским в 1889—1891 гг. трехфазная система переменного тока и трехфазные асинхронные двигатели получили всеобщее 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 ний скорости вращения, 2) потребление реактивной мощности и понижение коэффициента мощности сети. Эти недостатки асинхронных двигателей стимулировали 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 регулировки ния скорости вращения и повышения коэффициента мощности асинхронных двигателей.

В период 1880—1925 гг. было разработано значительное количество разнообразных однофазных и многофазных к. м. п. т. и каскадных схем с асинхронным» и^vколлекторными машинами переменного тока. Большой вклад в разработку и со» вершенствование этих машин за границей сделали Э. Томеон, Г. Гергес, Ф. Эйх-берг, Р. Рихтер, М. Латур, И. Дери, А. Шербиус, И. Козичек, В. Зейц и др. В СССР исследованием и разработкой к. м. п. т. занимались К- И. Шенфер, М. П. Костенко, Д. А.^авалишин и др.

Различные виды к м. п т. используются в промышленности и на транспорте. Однако в целом их применение ограничено. Причинами этого являются! 1) трудности коммутации к. м. п. т., 2) относительная сложность их устройства и 3) высокая стоимость.

Трудности коммутации ограничивают мощность к. м. п. т. и диапазон регу» лирования скорости вращения, вызывают усложнение их конструкции и увеличение стоимости. Стоимость трехфазных коллекторных двигателей в 1,5—2 раза больше стоимости двигателей постоянного тока и в 4—6 раз больше стоимости 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 и синхронных компенсаторов. Во многих случаях удовлетворительное решение проблем регулирования скорости вращения достигается с помощью асинхронных двигателей (см. гл. 28). Широкое распространение нашли двигатели постоянного тока, которые допускают регулирование скорости вращения в более широких пределах и надежнее в работе, чем к. м. п. т. С развитием управляемых ионных и полупроводниковых выпрямителей применение двигателей постоянного тока все более расширяется. Развитие полупроводниковых преобразователей частоты несомненно вызовет также и более широкое использование частотного регулирования скорости вращения асинхронных и 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 Германки, Чехословакия, Швейцария и др.). В ряде других стран, в частности в США, и в особенности в СССР, их применение весьма ограниченно.

В данном 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 двойным комплектом щеток (двигатель Шраге).

Трехфазный коллекторный двигатель по принципу- действия представляет собой асинхронный двигатель, во вторичную цепь которого для регулирования скорости вращения" с помощью коллектора вводится добавочная э. д. с. £_д частоты скольжения (см. § 28-3).

Коллектор при этом служит для преобразования частоты сети /_х в частоту скольжения f₂ = s/_u (см. § 19-4). В трехфазном коллекторном двигателе с параллельным возбуждением устройство для получения э. д. с. Е_Л соединено параллельно (электрически или электромагнитно) с первичной цепью двигателя, и механические- характеристики этого двигателя подобны характеристикам двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.

Наиболее широкое распространение имеет трехфазный двигатель с параллельным возбуждением с двойным комплектом щеток, предложенный в 1910 г. почти одновременно немецкими электротехниками X. Шраге и Р. Рихтером. В этом двигателе (рис. 42-1) трехфазная первичная обмотка 7 расположена на роторе и питается от сети (зажимы Л/, Bl, CI) через контактные кольца, а фазы вторичной обмотки 2 расположены на статоре. Источником добавочной э. д. с. Е_л является добавочная обмотка ротора, которая расположена в общих пазах с первичной обмоткой 1, по своему устройству аналогична якорной обмотке машины постоянного тока и соединена с коллектором К (на рис. 42-1 эта обмотка не показана). С помощью щеток al—а2, Ы—62 и cl —с2 добавочная обмотка соединяется со вто-' ричной обмоткой 2. Намагничивающий ток первичной обмотки / создает магнитный потокФ, который вращается относительно ротора со скоростью rii^fjp и индуктирует в первичной и добавочной обмотках э. д. с. частоты f_lt а во вторичной обмотке—э. д. с. частоты fa =4i- Величина вводимой во вторичную цепь добавочной э. д. с. Е_я пропорциональна длине дуги коллектора между щетками данной фазы (например, Ы — Ь2). Вторичный ток /₂ протекает по вторичной обмотке 2 с частотой t} и по добавочной обмотке ротора с частотой Д. Преобразование частоты тока/_х в частоту f₈ производится коллектором.

Для регулирования величины э. д. с. Е_я и изменения ее направления щетки а/, 67, 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 и могут заходить друг за друга.

В случае рис. 42-2, а скорость двигателя ниже синхронной (п <[ щ),э. д. с. Е' направлена навстречу вторичной э. д. с. E₂'_s и активная составляющая тока I'_q направлена согласно с э. д с. вторичной обмотки £₂' = sE'^ (рис 42-3, а) При этом мощность скольжения

передается из вторичной обмотки в добавочную и из нее через магнитное поле трансформаторным путем в первичную обмотку. Если щетки Ы и Ь2 на рис. 42-2, а будем сближать друг с другом, то Е'^ станет уменьшаться и скорость п увеличиваться. При совмещении щеток Ы и Ь2 (рис. 42-2, б и 42-3, б) Е'_Д = 0 и машина работает в режиме обычного асинхронного двигателя, с небольшим положительным скольжением s. Если, далее, щетки раздвинем в противоположных направлениях (рис. 42-2, в и 42-3, в), то э. д. с. E'_R 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. 42-1. Принципиальная схема трехфазного коллекторного двигателя с параллельным возбуждением с двойным комплектом щеток

Рис 42-2. Принцип регулирования скорости вращения трехфазного коллекторного двигателя с параллельным возбуждением с двойным комплектом щеток

обмотки и передаваться во вторичную обмотку. При фиксированном положении щеток механические характеристики двигателя М = f (п) подобны гем же характеристикам обычных асинхронных двигателей.

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

где /'₂ — приведенный к первичной обмотке ток вторичной обмотки, а /' — приведенный к первичной обмотке ток добавочной обмотки ротора. Следует иметь в виду, что неприведенные токи /_д = /₂.

На рис. 42-2 щетки Ы и Ь2 во всех положениях расположены симметрично относительно фазы вторичной обмотки. При этом э. д. с. Е'_А сдвинута по фазе относительно э. д. с. E₀'_s на 180° и влияет только на величину скорости двигателя. Бели механизм поворота щеток устроен так, что щетки вместо положения, изображенного на рис. 42-2, а, занимают несимметричное относительно вторичной обмотки

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

положение согласно рис. 42-4, а, то фаза э. д. с. £' изменится в сторону отставания на некоторый угол а. В этом случае вектор тока 1'₂ повернется в сторону опережения (рис. 42-4, б) и будет иметь составляющую, совпадающую по фазе с потоком Ф, что приведет к улучшению cos ф_х двигателя или даже к работе последнего с опережающим током. Отметим также, что ранее строились двигатели, в которых добавочная э. д. с. £д имела по отношению к э. д. с. E₂'_s сдвиг по фазе на 90 и совпадала по фазе с вектором Ф. В этом случае Ё^ почти не влияет на-скорость вращения и вызывает только компенсацию cos (p_t двигателя. Такие машины называются компенсированными асинхронными двигателями.

Двигатели рассматриваемого типа нашли за границей наибольшее распространение в текстильной, бумажной и сахарной промышленности. Они строятся обычно на мощность до 100—150 кет при U_a sc 500 вис регулированием скорости в пределах 3:1, что соответствует регулированию скольжения в пределах — 0,5 «с s г£ s£ 0,5. Пуок двигателей небольшой мощности обычно производится прямым включением 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 вращении ротора двигателя с двойным комплектом щеток секции его добавочной обмотки переходят поочередно из одних участков окружности ala2b\b2clc2 (рис 42-1) в другие, причем во время этого перехода они замыкаются щетками накоротко и происходит их коммутация е соответствующим изменением тока секции Время коммутации мало по сравнению с периодом изменения переменного тока обмотки, и поэтому можно считать, что величина изменения тока в коммутируемой секции равна разности мгновенных значений токов в соседних участках добавочной обмотки 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 /_а в фазе B2Y2 вторичной обмотки в этот момент времени до нуля.

Рис 42-4. Принцип компенсации коэффициента мощности трехфазного коллекторного двигателя с параллельным возбуждением с двойным комплектом щеток

В других видах многофазных коллектерных машин изменение тока коммутируемой секции равно разности мгновенных значений токов соседних фаз.

Вследствие указанного изменения тока в коммутируемой секции индуктируется такая же реактивная э. д. с. е_г, равная сумме э д с. само- и взаимной дндукции, как и в машинах постоянного тока. Разница заключается лишь в том_г что в результате протекания в обмотке переменного тока величина е_г в последовательно коммутируемых секциях различна и изменяется в фазе с током данной фазы вторичной обмотки. Поэтому можно сказать, что э. д с е_г изменяется в фазе с током обмотки, соединенной с коллектором. Реактивная э. д. е. е_г в к. м. а. т, оказывает такое же влияние на коммутацию^ как и в машинах постоянного тока* То обстоятельство, что в к. м. л. т. е_г является переменной, не имеет существенного значения.