6.7. Трехфазный коллекторный двигатель с параллельным возбужде­нием

На роторе этого двигателя имеется две обмотки (см. рис. 6.9, а): трехфазная обмотка 1, каждая фаза которой присоединена к контактному кольцу, и обмотка 2, выполненная аналогично якорной обмотке машины постоянного тока и присоединенная к коллектору. На статоре двигателя рас­положена трехфазная обмотка 3, каждая фаза которой присоединена к паре щеток, наложенных на коллектор. Двигатель имеет устройство, позволяющее в процессе работы сдвигать или раздвигать все щетки на коллекторе относи­тельно друг друга, а также смещать всю систему щеток против направления вра­щения или по направлению вра­щения ротора.

Трехфазная обмотка ротора 1, включенная в сеть, создает вращающееся магнитное поле, которое, вращаясь с синхронной частотой вращения (относительно этой обмотки), индуктирует в обмотке статора 3 ЭДС Е₂. Так как обмотка 3 замкнута, то в ней появляется ток, который, взаимодействуя с вращающимся полем обмотки ротора, создает на проводах обмотки статора электромагнитную силу F_ЭМ, направленную в сторону вращающегося поля (см. рис. 6.9, б).

а б

Рис. 6.9. Схема трехфазного коллекторного двигате­ля параллельного

возбуждения

При этом на проводники обмотки ротора начинает действовать сила , направленная против вращающегося поля. В итоге ротор и создаваемое им магнитное поле вращаются в противоположные стороны. При этом ротор вращается с асинхронной частотой вращения п₂, а ЭДС статора имеет частоту . Вращающееся поле ротора, создаваемое обмоткой 1, индуктирует в обмотке 2 ЭДС частоты сети независимо от того, находится ли ротор в покое или же вращается, потому что активные стороны этой обмотки уложены в тех же пазах, что и активные стороны обмотки 1 (см. рис. 6.9, б). ЭДС обмотки 2 через коллектор и щетки создает на зажимах фазных обмоток статора напряжение, имеющее такую же частоту, как и частота ЭДС Е₂, индуктируемая в фазных обмотках статора вращающим­ся полем обмотки 1.

Таким образом, в цепь статора вводится добавочная ЭДС Е_Д, которая совместно с ЭДС статора Е₂ вызывает ток I₂. Взаимодействие этого тока с током ротора определяет величину вращающего момента, а следовательно, и скорость вращения двигателя.

Уравнение равновесия ЭДС цепи статора имеет вид

,

где Z₂ – полное сопротивление цепи статора.

Знак «плюс» в этом равенстве соответствует согласному направлению ЭДС Е_Д и Е₂, а знак «минус» – их встречному направлению.

ЭДС статорной обмотки

.

Если между щетками каждой фазы находится витков обмотки 2, то ЭДС этих витков (добавочная ЭДС)

.

Пренебрегая малым значением , получим или, подставив значения и ,

.

Отсюда скольжение двигателя

.

Здесь знак «плюс» соответствует встречному направлению ЭДС, а знак «минус» – согласному направлению этих ЭДС.

Из рис. 6.10 видно, что величина w_x зависит от угла раствора щеток .

При совмещении щеток (см. рис. 6.10, а). В этом случае двигатель работает как обычный асинхронный двигатель с частотой вращения в режиме холостого хода, с некоторым уменьшением частоты вращения по мере возрастания нагрузки. При увеличении угла (см. рис. 6.10, б) количество витков w_x возрастает, и в фазных обмотках статора начинает действовать добавочная ЭДС. Предположим, что Е_Д действует встречно относительно ЭДС Е₂. Тогда скольжение становится положительным (знак «плюс» в формуле), и двигатель работает с частотой вращения ниже синхронной. При положе­нии щеток, показанном на рис. 6.10, в, добавочная ЭДС Е_Д изменит свое направление и будет действовать согласованно с ЭДС Е₂. В этом случае скольжение становится отрицательным (знак «минус» в формуле). Частота вращения увеличивается и становится выше синхронной. Регулиро­вание частоты вращения двигателя при изменении скольжения в диапазоне -0,5 < s < +0,5 возможно в пределах 3:1.

а б в г

Рис. 6.10. Регулирование частоты вращения и коэффици­ента мощности трехфазного коллекторного двигателя парал­лельного возбуждения

Для улучшения коэффициента мощности двигателя, особенно при низких частотах вращения, не изменяя угла раствора щеток у каждой фазы, сдвигают всю щеточную систему на угол (см. рис. 6.10, г) навстречу вращаю­щемуся ротору. В результате добавочная ЭДС Е_Д начинает опережать по фазе ЭДС Е₂ на угол , что способствует повышению двигателя. При пуске двигателя в ход щетки раздвигают на наибольший угол при встречном направлении ЭДС Е_Д, что соответствует минимальной частоте вращения. В этих условиях добавочная ЭДС ограничивает вели­чину пускового тока, а пусковой момент сохраняет значительную величину.

Серьезным недостатком рассматриваемого двигателя является подача на­пряжения на щетки, что ограничивает допускаемую величину подводимого к двигателю напряжения, которое практически не может превышать 500 В.

Наличие в двигателе коллектора, контактных колец и двух обмоток на роторе снижает КПД двигателя, который даже в двигателях большой мощности не превышает 85%.

Трехфазные коллекторные двигатели применяются в электроприводах переменного тока при необходимости регулирования частоты вращения в широких пределах.