Машины постоянного тока специального назначения

К машинам постоянного тока специального назначения относят электромашинные усилители (ЭМУ), тахогенераторы, бесконтактные двигатели постоянного тока и исполнительные двигатели постоянного тока (рис. 17.).

1). ЭМУ – это машины, работающие в генераторном режиме и усиливающие электрические сигналы. Простейшие ЭМУ – это генераторы постоянного тока независимого возбуждения, но они не нашли широкого распространения из за небольшого коэффициента усиления (не более 100). Наибольшее распространение получили ЭМУ поперечного поля, у которых основным магнитным потоком является поток, создаваемый током обмотки якоря. На его коллекторе установлено два комплекта щёток: один g1 и g2 – на поперечной оси главных полюсов (на геометрической нейтрали), а другой d1 и d2–по продольной оси главных полюсов. Щётки g1 и g2 замкнуты накоротко, а к щёткам d1 и d2 подключена нагрузка. Помимо обмотки якоря ЭМУ имеет одну или несколько обмоток управления (y1; y2), компенсационную обмотку (ОК), поперечную подмагничивающую обмотку (ОП) и обмотку добавочных полюсов (ОД). Якорь ЭМУ вращается электродвигателем. Коэффициент усиления может достигать 2000-20 000.

2). Тахогенераторы постоянного тока служат для измерения частоты вращения по значению выходного напряжения, Они представляют собой генераторы малой мощности с возбуждением от постоянного магнита или с электромагнитным независимым возбуждением. На выходе включен электроизмерительный прибор магнитоэлектрической системы, шкала которого проградуирована в единицах измерения частоты вращения.

3). Бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ) отличаются от коллекторных двигателей традиционной конструкции тем, что в них щёточно-коллекторный узел заменён полупроводниковым коммутатором (инвертором), управляемым сигналами, поступающими с бесконтактного датчика положения ротора (ДПР). ДПР расположен на валу двигателя. Рабочая обмотка двигателя – обмотка якоря – расположена на сердечнике статора, а постоянный магнит на роторе. В качестве чувствительного элемента ДПР чаще всего применяют датчики ЭДС Холла. Назначение ДПР – выдавать в блок коммутатора управляющий сигнал в соответствии с положением полюсов постоянного магнита относительно секций якоря, Блок коммутатора меняет соответственно направление магнитного потока в обмотках, что приводит к вращению двигателя. КПД БДПТ по сравнению с коллекторными выше, они более надёжны и долговечны, но имеют повышенную стоимость за счёт полупроводникового коммутатора, датчиков Холла и постоянного магнита. Мощность БДПТ обычно до 120 Вт.

4). Исполнительные двигатели постоянного тока применяют в системах автоматики для преобразования электрического сигнала в механическое перемещение. В качестве исполнительных двигателей в настоящее время применяют чаще всего двигатели с независимым возбуждением, реже – с возбуждением от постоянных магнитов.

Рис. 17. Машины постоянного тока специального назначения:

а) – электромашинный усилитель (ЭМУ) поперечного поля; б) – тахогенератор; в) – бесконтактный двигатель постоянного тока (БДПТ), где VT1–VT4 – коммутатор, ДХ1-ДХ2 – датчики Холла, w1-w4 – обмотки двигателя.

Раздел 2. Трансформаторы

Тема 2.1. Назначение, классификация, принцип действия и устройство трансформаторов

2.1.1. Назначение, классификация и принцип действия трансформаторов

Трансформатор – статический электромагнитный аппарат, имеющий две (или более) индуктивно связанные обмотки и предназначенный для преобразования посредством электромагнитной индукции переменного напряжения (тока) одной величины в переменное напряжение (ток) другой величины при неизменной частоте, форме кривой напряжения (тока) и неизменном количестве фаз.

Трансформаторы позволяют значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками переменного тока, установленными на электрических станциях, и осуществить передачу электроэнергии на дальние расстояния при высоких напряжениях (110, 220, 500, 750, и 1150 кВ). Благодаря этому сильно уменьшаются потери энергии в проводах и обеспечивается возможность значительного уменьшения площади поперечного сечения проводов линий электропередач.

В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередач, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (127, 220, 380 и 660 В), при которых работают электрические потребители, установленные на фабриках, заводах, в депо и жилых домах. На электроподвижном составе переменного тока трансформаторы применяют для уменьшения напряжения, подаваемого из контактной сети к тяговым двигателям и вспомогательным цепям.

Классифицируют трансформаторы по следующим признакам (рис. 18):

1). По назначению – силовые (применяют в системах передачи и распределения электроэнергии, а также для получения требуемого напряжения питания различных установок); специальные (характеризуются разнообразием свойств и конструкций – сварочные, печные, измерительные, испытательные, импульсные и др.).

2). По виду охлаждения – с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением.

3). По числу трансформируемых фаз – однофазные и трёхфазные.

4). По форме магнитопровода – стержневые, броневые, бронестержневые, тороидальные.

5). По числу обмоток на фазу – двухобмоточные, многообмоточные.

Простейший силовой трансформатор состоит из магнитопровода М и двух обмоток w1 и w2, расположенных на стержнях магнитопровода. (рис. 19). К одной обмотке, называемой первичной, подаётся напряжение U1 от генератора Г. К другой обмотке, называемой вторичной, подключается потребитель Zн. Первичная и вторичная обмотки электрически не связаны между собой и мощность из первичной обмотки во вторичную передаётся электромагнитным путём. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в её витках протекает переменный ток i1,создавая в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф, зависящий от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Этот поток, проходя по магнитопроводу, пронизывает витки первичной w1 и вторичной w2 обмоток, индуктируя в них ЭДС е1 и е2:

е1 = ―w1·(dФ/dt) и е2 = ―w2·(dФ/dt),

где w1 и w2 – число витков обмоток, dФ/dt – скорость изменения магнитного потока.

Рис. 18. Классификация силовых трансформаторов.

Рис. 19. Электромагнитная (а) и принципиальная (б) схемы силовых трансформаторов.

ЭДС е1 и е2 отличаются друг от друга лишь за счёт разности витков в обмотках (в каждом витке первичной и вторичной обмотки индуцируется одинаковая ЭДС), поэтому, применяя обмотки с разным соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое соотношение напряжений между обмотками.

При подключении к выводам вторичной обмотки нагрузки Zн в её цепи создаётся ток i2 под действием ЭДС е2 и устанавливается напряжение U2. В повышающих трансформаторах U2>U1, а в понижающих U2

Специальные машины постоянного тока.

Электромашинный усилитель поперечного поля (амплидин). В генераторах независимого возбуждения мощность возбуждения составляет 1-5% мощности генератора . Коэффициент усиления:

. (31)

В системах автоматического управления желательно иметь больший коэффициент усиления, чтобы уменьшить массу промежуточных блоков усиления. Электромашинные усилители – это генераторы постоянного тока с коэффициентом усиления .

Электромашинный усилитель (ЭМУ) поперечного поля имеет на якоре две пары щеток, причем щетки по поперечной оси машины qq замкнуты накоротко (рисунок 14). Небольшой ток в обмотке управления ОУ создает небольшой поток управления по продольной оси qq машины. Поток управления наводит в короткозамкнутом контуре по поперечной оси машины ток , который создает по поперечной оси машины поток . Поток неподвижен относительно щеток, а в витках обмотки якоря, которые вращаются в поперечном поле, наводится ЭДС . Эта ЭДС на щетках в продольной оси создает выходное напряжение . Ток нагрузки создает поток реакции якоря , который направлен навстречу потоку . Чтобы скомпенсировать действие потока нагрузки на поток управления, в ЭМУ поперечного поля устанавливается компенсационная обмотка КО. Для точной компенсации в ЭМУ поперечного поля имеется регулировочный резистор , с помощью которого производится настройка компенсации.

Рисунок 14Схема ЭМУ поперечного поля.

В витках обмотки якоря складываются токи в короткозамкнутом контуре и ток нагрузки . В каждой четверти обмотки якоря токи отличаются друг от друга, что вносит лишь некоторые особенности в расчет электрических потерь в обмотке якоря. Обмотка дополнительных полюсов ОД обтекается током .

В ЭМУ поперечного поля объединены два генератора независимого возбуждения. Первый каскад – обмотка управления и поперечный короткозамкнутый контур. Второй каскад – поперечный короткозамкнутый контур с током возбуждения и выход – продольный ток и напряжение . Таким образом коэффициент усиления по мощности ЭМУ поперечного поля равен

, (32)

где и – коэффициенты усиления по мощности первого и второго каскадов.

Обычно ЭМУ поперечного поля выполняются в одном агрегате с приводным двигателем. Выпускаются ЭМУ на мощность от сотен ватт до десятков киловатт.

Электромашинный усилитель продольного поля. В свое время были предложены десятки конструкций ЭМУ. Наиболее интересной схемой для понимания работы генераторов является схема ЭМУ продольного поля (рототрола). Это генератор параллельного возбуждения, имеющий сопротивление обмотки возбуждения несколько больше критического.

На рисунке 15 дана схема ЭМУ продольного поля. Магнитодвижущие силы обмотки управления ОУ и обмотки самовозбуждения ОСВ действуют согласно. Коэффициент усиления ЭМУ продольного поля зависит от того, насколько сопротивление контура обмотки самовозбуждения приближается к критическому сопротивлению.

Рисунок 15ЭМУ продольного поля.

В ЭМУ продольного поля коэффициент усиления может достигать . Выполняя схему ЭМУ продольного поля двухступенчатой, можно получить . Однако характеристика холостого хода машины постоянного тока нестабильна и при больших коэффициентах усиления появляется разброс выходных характеристик.

Постоянная времени генератора с самовозбуждением больше, чем генератора с независимым возбуждением. Чтобы уменьшить постоянную времени, магнитную систему выполняют насыщенной, для чего в полюсах делают вырезы. Насыщение мостиков, образованных вырезами, обеспечивает наклон характеристики холостого хода уже при небольших МДС, что способствует устойчивой работе генератора при сопротивлении обмотки возбуждения, близком к критическому.

В системах возбуждения электрических машин широко применяются статические системы возбуждения с полупроводниковыми приборами. Однако электромашинные системы при сравнении с другими система усиления имеют важное преимущество, состоящее в том, что в них происходит электромеханическое преобразование энергии, а для работы статических систем требуется источник электрической энергии.

Магнитогидродинамические генераторы. МГД-генераторы – это электромеханические преобразователи механической энергии плазмы или жидкости в электрическую энергию. МГД-генераторы состоят из МГД-канала 1, в котором расположены электроды 2, а магнитное поле создается катушками 3 (рисунок 16 а).

Плазма, двигаясь в магнитном поле со скоростью , создает на электродах постоянное напряжение, и в нагрузке протекает ток нагрузки . Ток нагрузки замыкается поперек канала. Чтобы увеличить мощность МГД-генератора, в плазму добавляются присадки щелочных металлов, увеличивается скорость и температура плазмы. Для увеличения индукции в канале до 5 Тл применяются катушки со сверхпроводящими обмотками 3.

Рисунок 16МГД-генератор а и МГД-двигатель (насос) б.

В МГД-генераторе механическая энергия частиц плазмы преобразуется в электрическую энергию и тепло. За счет разностей скоростей на выходе и входе и , и температур на входе и выходе и осуществляется преобразование энергии в МГД-генераторе.

Электроды в МГД-генераторе работают в тяжелых условиях – температура внутри канала около 2000 К. Поэтому целесообразно использовать МГД-генератор в кратковременных режимах работы.

Как и все электрические машины, МГД-генераторы могут работать в режиме двигателя. Для перекачки жидких металлов применяются МГД-насосы (рисунок 16 б). В МГД-насосах электрическая энергия постоянного тока преобразуется в механическую энергию движения жидкости. Такие насосы находят применение на атомных электростанциях для перекачки жидкометаллического теплоносителя первого контура.

Исполнительные двигатели постоянного тока.Они находят широкое применение в системах автоматического управления. Двигатели постоянного тока обеспечивают в широком диапазоне экономичное регулирование частоты вращения, как за счет изменения потока, так и за счет изменения напряжения. Благодаря тому, что обмотка якоря – многофазная, двигатели постоянного тока имеют высокую равномерность частоты вращения.

При конструировании исполнительных двигателей постоянного тока стремятся обеспечить высокое быстродействие. Одним из способов уменьшения электромеханической постоянной времени является уменьшение момента инерции. Основными типами малоинерционных исполнительных двигателей являются двигатели с полым ротором и печатной обмоткой якоря.

Рисунок 17Малоинерционный

двигатель постоянного тока.

Двигатели постоянного тока с полым ротором (ДПР) имеют два статора (рис.17), как и двигатели с полым ротором переменного тока. На одном из подшипниковых щитов 1 укреплен постоянный магнит 2. Магнитный поток замыкается по корпусу 3. Обмотка якоря выполнена двухслойной и образует ротор 4 при заливке ее специальным компаундом. После формовки образуется

монолитный полый цилиндр, насаженный на вал 5. Концы обмотки выведены на коллектор 5, на котором установлены щетки 7. Одним из достоинств двигателей постоянного тока с полым ротором является хорошая коммутация.

Серия ДПР включает двигатели мощностью от 0,12 до 37 Вт, имеет высокий КПД, а постоянные времени ниже, чем у обычных двигателей той же мощности, в 2 – 2,5 раза.

Тахогенератор постоянного тока. Это не насыщенный генератор постоянного тока с электромагнитным возбуждением или с возбуждением от постоянных магнитов. Выходная характеристика тахогенератора – прямая линия. Влияние реакции якоря устраняется за счет того, что машина делается ненасыщенной или, наоборот, насыщенной. Как в том, так и в другом случае генератор работает на линейной части характеристики холостого хода. Достоинством тахогенераторов постоянного тока является меньшая масса при той же чувствительности по сравнению с тахогенераторами переменного тока.

Вентильные двигатели. При рассмотрении обобщенной машины было отмечено, что в машине постоянного тока механический преобразователь частоты – коллектор может быть заменен полупроводниковым преобразователем частоты на тиристорах или транзисторах. Вентильные двигатели – это электрические машины, функционально объединенные с управляемым полупроводниковым коммутатором. Они близки по конструктивным признакам и характеристикам к коллекторным двигателям. Так же как и коллекторные двигатели, вентильные двигатели имеют частоту вращения вала, не зависящую от частоты сети, регулирование частоты вращения осуществляется путем изменения потока возбуждения и тока в якоре. Вентильные двигатели обладают высоким пусковым моментом и хорошими электрическими показателями. Благодаря отсутствию коллекторно-щеточного узла вентильные двигатели имеют большую надежность и долговечность. Вентильные двигатели, как и коллекторные, имеют широкое разнообразие конструкций и схем включения обмоток.

Рисунок 18Схема трехфазного вентильного двигателя.

Простейшей схемой вентильного двигателя является двухфазная схема, но наибольшее применение нашла трехфазная схема (рисунок 18). В этой схеме вентильная коммутация осуществляется трехфазным инвертором. Система вентильной коммутации обычно состоит из датчика синхронизирующих сигналов, системы формирования сигналов управления и управляемого коммутатора.

Датчик синхронизирующих сигналов задает порядок и частоту переключения элементов коммутатора. При позиционном
управлении – это датчик положения ротора, а при фазовом – датчик фазы напряжения якорной обмотки. Датчик положения ротора представляет собой встроенный в машину узел, состоящий из чувствительных элементов, закрепленных на статоре, и сигнальных элементов, закрепленных на роторе. Обычно используются фотоэлектрические или магнитомодуляционные датчики.

Система формирования сигналов управления обеспечивает усиление и формирование синхронизирующих сигналов.

Управляемый коммутатор осуществляет бесконтактные переключения в силовых цепях вентильного двигателя. Управляемый коммутатор выполняется на полупроводниковых приборах или других переключающих элементах, например герконах.

В управляемых коммутаторах на полупроводниковых приборах используются полностью управляемые приборы (транзисторы, двухоперационные тиристоры) и не полностью управляемые (тиристоры, семисторы).

Вентильные двигатели могут питаться от сети как постоянного, так и переменного тока. Если управляемый коммутатор питается от сети постоянного тока, то он представляет собой
инвертор – преобразователь постоянного тока в переменный. Если управляемый коммутатор подключен к сети переменного тока, то он выполняет функции преобразователя частоты.

Характерной особенностью вентильных двигателей, отличающей их от двигателей постоянного тока, является наличие дополнительного канала управления по углу синхронизации инвертора. Этот канал используется для обеспечения необходимой жесткости механической характеристики и достижения большой перегрузочной способности.

Существует еще множество специальных машин постоянного тока, таких как генераторы с тремя обмотками возбуждения и генераторы с расщепленными полюсами, имеющими внешние характеристики, необходимые для сварочных аппаратов; униполярные генераторы и двигатели; двигатели с печатной обмоткой якоря; плазменные ракетные двигатели и т.д.