Параллельная работа синхронных генераторов с сетью (стр. 7 )

Рис. 17.10. Схемы, поясняющие принцип действия реактивного шагового двигателя с сосредоточенной обмоткой на статоре:

а – г – шаги ротора; 1 – 3 – обмотки статора

При подаче напряжения от блока управления на обмотку 1 ста­тора ротор займет положение, при котором магнитное сопротив­ление потоку будет минимальным (см. рис. 17.10, а). Затем напря­жение подается и на обмотку 2 статора таким образом, чтобы соседние его зубцы имели противоположную полярность, после чего ротор повернется на угол 30° и займет положение, показан­ное на рис. 17.10, б (первый шаг). Если напряжение с обмотки 1 снимется и питание останется только на обмотке 2, то ротор по­вернется еще на 30º и займет положение, показанное на рис. 17.9, в (второй шаг). Далее подключается обмотка 3, ротор поворачи­вается еще на 30° в положение, показанное на рис. 17.9, г (третий шаг), и т. д.

Из приведенного примера становится очевидным, что увели­чить число шагов двигателя за один оборот можно одним из сле­дующих способов:

увеличением числа зубцов (полюсов) ротора;

регулированием напряжений, подаваемых на работающие об­мотки статора;

изготовлением статора из нескольких смещенных в простран­стве (по углу) пакетов, располагаемых в одном корпусе.

В последнем случае ротор для всех пакетов статора должен быть общий.

Рабочие свойства ШД характеризуются следующими величи­нами:

шаг (угол);

предельная частота, при которой к началу следующего шага переходный процесс от предыдущего шага успевает закончиться;

частота приемистости, т. е. максимальная частота, при которой возможен пуск двигателя без выпадения ротора из синхронизма (без потери шагов).

17.5. Вентильные реактивные двигатели

Вентильный реактивный двигатель (ВРД) — это шаговый дви­гатель, работающий в режиме вращения, который можно отнести к классу реактивных или явнополюсных машин. Функциональная схема ВРД не отличается от функциональной схемы шагового дви­гателя, приведенной на рис. 17.9. Поскольку этот двигатель имеет непрерывное вращение, то входные импульсы должны нести ин­формацию не о конечном (фиксированном) положении ротора, а о требуемой скорости или моменте. Вентильный реактивный дви­гатель, как и шаговый, относится к классу управляемых двигате­лей, которые могут работать только в замкнутых системах автома­тизированного электропривода.

Рис. 17.11. Схемы, поясняющие принцип действия вентильного реактивного двигателя:

а – в – различные положения ротора; 1 – 3 – зубцы ротора

Рассмотрим принцип действия ВРД на примере четырехфазного двигателя с соотношением зубцов (полюсов) статора и ро­тора, равным 8/6. Предположим, что при взаимном расположе­нии ротора и статора, соответствующем рис. 17.11, а, подано на­пряжение на фазу А. В силу того что в этом случае с осью фазы А совпадает поперечная ось ротора (угол рассогласования γ=90° элек­трических), ВРД находится в положении неустойчивого равнове­сия и не развивает электромагнитного момента. Такое взаимное положение ротора и статора называется рассогласованным.

Пусть по каким-то причинам ротор повернулся на некоторый угол против часовой стрелки и занял положение, показанное на рис. 17.11, б (угол рассогласования 0 < γ< 90° электрических). В этом положении возникает реактивный момент М, стремящийся по­вернуть ротор против часовой стрелки, чтобы с осью фазы А со­впала продольная ось ротора. Если в этом случае не переключить напряжение на другую фазу, то электромагнитный момент при совпадении продольной оси ротора и оси фазы А (γ=0) станет равным нулю и ротор установится в положение устойчивого рав­новесия, характерное для шагового двигателя.

Так как в ВРД необходимо обеспечить непрерывное вращение ротора, при указанном на рис. 17.11, б положении (а реально не­сколько раньше), напряжение с фазы А переключается на фазу В, как показано на рис. 17.11, в. В этом положении двигатель развива­ет реактивный момент М, стремящийся повернуть ротор против часовой стрелки, чтобы его продольная ось совпала теперь уже с осью фазы В.

Далее последовательно включаются фазы C, D, A (обратной полярности) и т. д. Из рис, 17.11 видно, что для поддержания мак­симального электромагнитного момента необходимо осуществлять переключение фаз двигателя при определенном значении угла рассогласования γ, поскольку при γ = 0 и γ = 90° электрических градусов электромагнитный момент обращается в нуль. Для этого ВРД должен иметь датчик углового положения ротора, по сигна­лам которого и будут переключаться фазы обмотки статора.

Отметим одну характерную особенность ВРД, вытекающую из рассмотренного принципа его работы. Магнитное поле статора вращается по часовой стрелке от фазы А последовательно к фазам B, С, D, а ротор — по направлению момента М, показанному на рисунке стрелкой, т. е. против часовой стрелки. Поэтому, строго говоря, ВРД не может называться синхронным двигателем.

В силу простоты конструкции и управления приводы с ВРД получили широкое распространение за последние 25 лет, потес­нив частотно-управляемые асинхронные электроприводы.

Контрольные вопросы

1. Каковы основные достоинства и недостатки синхронного реактив­ного двигателя?

2. Чем отличается асинхронный пуск двигателя с возбуждением от постоянных магнитов от пуска двигателя с электромагнитным возбуж­дением?

3. В чем состоит основное преимущество гистерезисного двигателя по сравнению с другими синхронными двигателями?

4. Поясните, как работает шаговый двигатель.

5. Как работает вентильный реактивный двигатель и чем он отличает­ся от шагового двигателя?

РАЗДЕЛ V

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ГЛАВА 18

КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

18.1. Принцип работы машин постоянного тока

В настоящее время наиболее широко применяются машины постоянного тока с механическим коммутатором — коллектором. Коллектор осложняет условия работы машины, но опыт эксплуа­тации в самых тяжелых условиях показал, что правильно спроек­тированная и качественно изготовленная машина постоянного тока является не менее надежной, чем более простые по конструкции машины переменного тока.

Машину постоянного тока можно рассматривать как обращен­ную синхронную машину, т. е. как машину, на статоре которой расположена цепь постоянного тока (индуктор), а на роторе — цепь переменного тока (якорь).

Рис. 18.1. Принципиальная схема машины постоянного тока с кольцевой обмоткой якоря

На рис. 18.1 схематично изображен поперечный разрез маши­ны постоянного тока. На неподвижной части этой машины (ста­торе) размещаются полюсы (П) с обмотками возбуждения (В). При этом обмотки возбуждения соединены между собой таким образом, чтобы при прохождении по ним постоянного тока по­люсы приобретали чередующуюся полярность (N, S, N, S и т. д.). Поток Ф, создаваемый обмотками возбуждения, не изменяется во времени и замыкается по контурам, показанным на рисунке штри­ховыми линиями. Как и в синхронных машинах, индуктор имеет две оси симметрии: продольную d и поперечную q.

На вращающейся части машины располагается обмотка якоря (О), в которой индуктируется основная ЭДС. Обмотка якоря на­матывается вокруг полого шихтованного сердечника (М), закреп­ленного на валу машины (на рисунке не показан), и называется тороидальной. Все витки этой обмотки соединены последовательно.

Принципиальным отличием якорных обмоток машин посто­янного тока является то, что они замкнуты сами на себя, т. е. конец последнего витка обмотки соединен с началом первого и, таким образом, у обмотки нет ни начала, ни конца.

Обмотка якоря имеет большое число секций, каждая из которых состоит из одного или нескольких витков.

Изображенный на рис. 18.1 якорь называется кольцевым. В на­стоящее время эти якори практически не применяются, так как ЭДС при такой конструкции индуктируется только в проводни­ках, расположенных на внешней поверхности сердечника якоря. В проводниках же, лежащих на внутренней поверхности якоря, ЭДС не наводится, потому что они не сцеплены с магнитным полем возбуждения. Однако в дальнейшем при изложении ряда физических процессов, происходящих в машинах постоянного тока, для большей наглядности будет рассматриваться именно такой якорь.

От обмотки якоря в таких машинах выполняются ответвления к пластинам коллектора (К), который располагается на валу яко­ря и представляет собой полый цилиндр, состоящий из электри­чески изолированных друг от друга медных пластин. Число кол­лекторных пластин равно числу секций обмотки якоря. Обмотка, показанная на рис. 18.1, состоит из 12 одновитковых секций, а коллектор соответственно — из 12 пластин.

При вращении ротора в направлении, показанном на рис. 18.1 стрелкой, в проводниках обмотки якоря индуктируется ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки и обозначено на рисунке точками и крестиками. При этом в обмотке якоря наводится переменная ЭДС, так как каждый проводник поочередно проходит полюсы разной полярности, что приводит к изменению знака (направления) ЭДС.

Если машина работает в режиме генератора, то переменная ЭДС обмотки выпрямляется с помощью коллектора, т. е. коллектор является в этом случае выпрямителем. С коллектором сопри-касаются неподвижные щетки (Щ), посредством которых обмотка якоря соединяется с внешней сетью.

Рассмотрим электрическую схему якорной цепи, соответствующую принципиальной схеме машины, приведенной на рис. 18.1. Из рис. 18.2 видно, что щетки делят обмотку якоря на параллельные ветви, поэтому ЭДС между щетками разной полярности определяется не разностью ЭДС между проводниками, с которыми щетки соединены электрически через коллекторные пластины (E1…4, E7…10), а равна ЭДС параллельной ветви обмотки якоря, т. е. сумме ЭДС секций, содержащихся в паралелльной ветви: Е1 + Е2 + Е3 или Е7 + Е8 + Е9.

Рис. 18.2. Электрическая схема якорной цепи, соответствующая рис. 18.1

Следовательно, для получения максимальной ЭДС на выводах машины щетки надо устанавливать в тех местах, где ЭДС, наводимая в проводниках, меняет свое направление. Это происходит под серединой межполюсного промежутка, т. е. на поперечной оси q машины. Воображаемая линия, проведенная через середину меж­полюсного промежутка и совпадающая с поперечной осью маши­ны, называется геометрической нейтралью (ГН). Значит, в ма­шинах постоянного тока щетки должны быть установлены на гео­метрической нейтрали или поперечной оси. Поскольку число нейтралей равно числу пар полюсов, то число мест установки щеток равно числу полюсов.

При такой схеме установки щеток (см. рис. 18.1 и 18.2) между каждой их парой включены проводники обмотки якоря с одина­ковым направлением ЭДС, Следовательно, щетки, соприкаса­ющиеся с определенными коллекторными пластинами, будут иметь указанную на рисунках полярность. При вращении якоря расположение секций в пространстве и направление ЭДС в них будут меняться. Однако между коллекторными пластинами, с ко­торыми соприкасаются неподвижные щетки, всегда будут рас­полагаться проводники с одинаковым направлением ЭДС, и щет­ки будут иметь определенную полярность. При этом щетки одно­именной полярности соединяются между собой, а к их общим выводам подключается внешняя сеть. При наличии коллектора во внешней сети генератора будет протекать постоянный ток, в то время как в обмотке якоря ЭДС и ток будут переменными. Направление тока в проводниках будет совпадать с направлени­ем ЭДС.

Внутри обмотки якоря, которая замкнута сама на себя, сумма ЭДС равна нулю (см. рис. 18.1), поэтому при разомкнутой внеш­ней цепи ток внутри обмотки якоря также будет равен нулю.

Если машина работает в режиме двигателя, то к щеткам под­водится постоянный ток. Коллектор в этом случае преобразует постоянный ток внешней сети в переменный ток, протекающий по обмотке якоря, т. е. является инвертором.

Пусть направление тока в проводниках обмотки якоря соответ­ствует показанному на рис, 18.1. Направление электромагнитных сил определяется по правилу левой руки, и, так как для всех проводников направление этих сил одинаковое (против часовой стрелки), создается суммарный вращающий момент. Наиболь­ший вращающий момент получают при установке щеток на геометрической нейтрали (оси q), и под действием этого момента ротор двигателя начинает вращаться в направлении, противопо­ложном указанному на рис. 18.1, (соответствующему генераторно­му режиму).

18.2. Конструкция машин постоянного тока

Рис. 18.3 Конструкция машины постоянного тока: а – ротор; б – статор; 1 – вал; 2 – коллектор; 3 – якорь; 4 – передний подшипниковый щит; 5 – главные полюсы; 6 – обмотка возбуждения; 7 – станина; 8 – лапа; 9 – дополнительный полюс

На рис. 18.3 показана конструкция машины постоянного тока. Статор такой машины состоит из станины 7 и прикрепленных к ней главных 5 и дополнительных полюсов. Станину машин отно­сительно небольшой мощности изготовляют из отрезков цельно­тянутых стальных труб, а станину мощных машин сваривают из толстолистового стального проката. Для закрепления машины на фундаменте или исполнительном механизме к нижней части ста­нины приваривают лапы 8, а для транспортировки в нее ввертыва­ют рым-болты.

На сердечниках главных полюсов размещают обмотку возбуж­дения 7, которую изготовляют в виде катушек из медных изоли­рованных проводников круглого или прямоугольного сечения. Изолированные катушки насаживают на сердечник полюса и за­крепляют стальными пружинящими рамками. Иногда для увели­чения поверхности охлаждения катушку делят на две части. По­люс с надетой на него катушкой прикрепляют к станине болтами. Дополнительные полюсы располагают между главными полюса­ми и вместе с катушками их обмотки болтами прикрепляют к станине.

Ротор машины постоянного тока состоит из шихтованного сер­дечника якоря 3 с обмоткой и коллектора 2. Сердечник якоря и коллектор закреплены на валу 1. Сердечник собирается из изоли­рованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм для снижения потерь от вихревых токов. В листах якоря предусмотре­ны пазы для укладки его обмотки. Обмотку в пазах закрепляют клином или бандажами, располагаемыми в кольцевых канавках сердечника якоря. Лобовые части обмотки защищают от действия центробежных сил бандажами из проволоки или стеклоленты.

Станина 7, сердечники полюсов 5 и якоря 3 являются участка­ми магнитопровода, по которым замыкается основной магнит­ный поток возбуждения. Для уменьшения магнитного сопротив­ления на пути этого потока все указанные участки выполняют из стали. С этой же целью стараются уменьшить воздушный зазор между якорем и полюсами. Из-за зубчатого строения якоря ин­дукция в воздушном зазоре содержит высшие гармоники, кото­рые будут наводить в полюсном наконечнике вихревые токи. Для их уменьшения полюсный наконечник и сердечник полюса также собирают из отдельных листов стали толщиной 1…2 мм.