Конспект лекцій з навчальної дисципліни "спеціальні електричні машини" для студентів денної форми навчання зі спеціальності



Сторінка7/8
Дата конвертації03.12.2016
Розмір2.43 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8

4.7 Інші різновиди синхронних машин

Електромагнітна муфта служить для гнучкого з'єднання двох обертових валів, наприклад вала дизеля суднової силової установки з валом гребного гвинта. У конструктивному відношенні електромагнітна муфта являє собою явнополюсну синхронну машину, індуктор якої, порушуваний постійним струмом, укріплений на одному валу (наприклад, ведучому), а якір укріплений на іншому валу (наприклад, веденому). Обмотка якоря може бути фазної (у цьому випадку вона з'єднується з реостатом) або короткозамкненої у вигляді білячої клітки.

Якщо ведучий і ведений вали обертаються зі швидкостями n1 і n2 (причому ), то в обмотці якоря муфти індуктуеться струм частоти



(4.10)

і створюється електромагнітний момент, під впливом якого і відбувається обертання веденого вала. При короткозамкненій обмотці якоря ковзання веденого вала відносно ведучого



(4.11)

становить 0,01—0,03. При фазній обмотці якоря ковзання s і швидкості n2 можна регулювати шляхом зміни опору реостата або струму збудження.

Електромагнітна муфта дозволяє здійснювати плавне приєднання і відключення веденого вала при обертовому первинному двигуні, а при фазній обмотці також регулювання швидкості обертання. Крім того, муфта захищає робочий механізм від більших перевантажень, тому що при великому гальмівному моменті ведений вал зупиняється. Якщо пуск веденого вала відбувається при обертанні провідного вала зі швидкістю то частота f велика і для одержання достатнього пускового моменту короткозамкнену обмотку якоря потрібно виконати з використанням ефекту витиснення струму.

Електромагнітні муфти звичайно будуються потужністю до Рн = 500 квт.



Безконтактні синхронні машини з кігтеоподібними полюсами. У сучасних промислових і транспортних установках нерідко синхронні машини за умовами надійності необхідно виконувати без ковзних контактів на роторі. У цих випадках можна застосовувати синхронні машини без обмотки збудження (реактивні), а при підвищених частотах також індукторні і редукторні машини. Однак можна також використати машини з кігтеподібним ротором і нерухомою обмоткою збудження. Такі машини будуються по такому ж принципі, як і безконтактні сельсини, але звичайно з 2р>2. При f=50 Гц їх доцільно будувати потужністю до Рн=20-30 квт.

Ударні синхронні генератори застосовуються для випробування вимикачів високої напруги на потужність відключення. Вони будуються на базі турбогенераторів потужністю до 50-200 МВт і працюють у режимі раптового короткого замикання. Для одержання можливо більшого струму короткого замикання вони виготовляються зі зниженими індуктивними опорами розсіювання і з надійним кріпленням обмоток, особливо їхніх лобових частин.

Існують і розробляються також деякі інші різновиди синхронних машин.



5. Багатофазні колекторні машини і каскади

5.1 Застосування колекторних машин змінного струму

Розроблені М. О. Доливо-Добровольским в 1889-1891 р. трифазна система змінного струму і трифазні асинхронні двигуни одержали загальне поширення. Більшими достоїнствами асинхронних двигунів є простота їхньої конструкції, надійність у роботі і невисокій вартості. Разом з тим їм властиві наступні недоліки: 1) труднощі економічного регулювання швидкості обертання, 2) споживання реактивної потужності і зниження коефіцієнта потужності мережі. Ці недоліки асинхронних двигунів стимулювали розробку колекторних двигунів змінного струму, що допускають плавне і економічне регулювання швидкості обертання, а також різних спеціальних видів колекторних машин змінного струму (к.м.з.с.) для регулювання швидкості обертання і підвищення коефіцієнта потужності асинхронних двигунів.

У період 1880-1925 р. було розроблено значне число різноманітних однофазних і багатофазних к.м.з.с. і каскадних схем з асинхронними і колекторними машинами змінного струму. Великий внесок у розробку і удосконалювання цих машин за кордоном зробили Э. Томсон, Г. Гергес, Ф. Эйх-берг, Р. Ріхтер, М. Латур, И. Бий, А. Шербиус, И. Козичек, В. Зейц і ін. У СРСР дослідженням і розробкою к.м.з.с. займалися К. И. Шенфср, М. П. Костенко, Д. А. Завалишин і ін.

Різні види к.м.з.с. використаються в промисловості і на транспорті. Однак у цілому їхнє застосування обмежене. Причинами цього є: 1) труднощі комутації к.м.з.с., 2) відносна складність їхнього пристрою і 3) висока вартість.

Труднощі комутації обмежують потужність к.м.з.с. і діапазон регулювання швидкості обертання, викликають ускладнення їхньої конструкції і збільшення вартості. Вартість трифазних колекторних двигунів в 1,5-2 рази більше вартості двигунів постійного струму і в 4-6 разів більше вартості асинхронних двигунів. Разом з тим були знайдені інші шляхи повного або часткового рішення проблем, що викликали розвиток к.м.з.с. Проблема підвищення коефіцієнта потужності мереж була дозволена широким використанням статичних конденсаторів, синхронних двигунів і синхронних компенсаторів. У багатьох випадках задовільне рішення проблем регулювання швидкості обертання досягається за допомогою асинхронних двигунів. Широке поширення знайшли двигуни постійного струму, які допускають регулювання швидкості обертання в більше широких межах і надійніше в роботі, чим к.м.з.с. З розвитком керованих іонних і напівпровідникових випрямлячів застосування двигунів постійного струму усе більше розширюється. Розвиток напівпровідникових перетворювачів частоти безсумнівно викличе також і більше широке використання частотного регулювання швидкості обертання асинхронних і синхронних двигунів. Все це привело до звуження області застосування к.м.з.с., і очевидно, що ця тенденція буде тривати і надалі.

Найбільше поширення к.м.з.с. одержали в деяких європейських країнах (Німецька Демократична Республіка, Федеративна Республіка Німеччини, Чехословаччина, Швейцарія та ін.). У ряді інших країн, зокрема в США, і особливо в СРСР, їхнє застосування досить обмежено.

У даному розділі дається опис пристрою і принципу дії найпоширеніших видів к.м.з.с.
5.2 Трифазні колекторні двигуни

Трифазний колекторний двигун з паралельним зубдженням з подвійним комплектом щіток (двигун Шраге).

Трифазний колекторний двигун за принципом дії являє собою асинхронний двигун, у вторинний ланцюг якого для регулювання швидкості обертання за допомогою колектора вводиться додаткова е.р.с. ЕД частоти ковзання.

Колектор при цьому служить для перетворення частоти мережі f1 у частоту ковзання f1 = sf2. У трифазному колекторному двигуні з паралельним порушенням пристрій для одержання е.р.с. ЕД з'єднано паралельно (електрично або електромагнітно) з первинним ланцюгом двигуна, і механічні характеристики цього двигуна подібні до характеристик двигуна постійного струму з паралельним збудженням.

Найбільш широке поширення має трифазний двигун з паралельним збудженням з подвійним комплектом щіток, запропонований в 1910.г. майже одночасно німецькими електротехніками X. Шраге і Р. Ріхтером. У цьому двигуні (рис. 5.1) трифазна первинна обмотка 1 розташована на роторі і живиться від мережі (затискачі А1, В1, C1) через контактні кільця, а фази вторинної обмотки 2 розташовані на статорі. Джерелом додаткової е.р.с. Ед є додаткова обмотка ротора, що розташована в загальних пазах з первинною обмоткою 1, по своєму пристрої аналогічний якірній обмотці машини постійного струму і з'єднана з колектором ДО (на рис. 5.1 ця обмотка не показана). За допомогою щіток a1-a2, b1-b2 і c1-c2 додаткова обмотка з'єднується із вторинною обмоткою 2. Струм, що намагнічує, первинну обмотки 1 створює магнітний потік Ф, що обертається щодо ротора зі швидкістю n1 = f2/p і індуктуе у первинній і додатковій обмотках е.р.с. частоти fь а у вторинній обмотці — е.р.с. частоти f2 = sf1. Значення вводить у вторинний ланцюг додаткової е.р.с. Eд пропорційно довжині дуги колектора між щітками даної фази (наприклад, b1 - b2). Вторинний струм I2 протікає по вторинній обмотці 2 із частотою f2 і по додатковій обмотці ротора із частотою fг Перетворення частоти струму I у частоту Iа виробляється кіллектором.

Для регулювання значення е.р.с. Eд і зміни її напрямку щітки a1, b1, c1 приєднуються до однієї, а a2, b2, c2 — до іншої рухливої щіткової траверси. Траверси у свою чергу за допомогою зубчастої або іншої передачі з'єднані зі штурвалом або виконавчим двигуном, за допомогою яких траверси і щітки можна переміщати відносно один одного в протилежних напрямках (рис. 5.2). Щітки обох траверс розташовані на колекторі зі зрушенням в осьовому напрямку і можуть заходити, друг за друга.

Рис. 5.1. Принципова схема трифазного колекторного двигуна з паралельним збудженням з подвійним комплектом щіток

У випадку рис. 5.2, а швидкість двигуна нижче синхронної (n1, е.р.с. Е'д спрямована назустріч вторинної е.р.с. E'2s і активна складова струму I'2 спрямована згідно з е.р.с. вторинної обмотки Е'2S=s'2. При цьому потужність ковзання

PS = sPЭМ (5.1)

передається із вторинної обмотки в додаткову і через магнітне поле трансформаторним шляхом у первинну обмотку. Якщо щітки b1 і b2 на рис. 5.2, а будемо зближати один з одним, то Е'Д стане зменшуватися і швидкість n збільшуватися. При сполученні щіток b1 і b2, Е'Д = 0 машина працює в режимі звичайного асинхронного двигуна, з невеликим позитивним ковзанням s. Якщо, далі, щітки розсунемо в протилежних напрямках (рис. 5.2, в і 5.3, в), то е.р.с. Е'Д буде вводитися у вторинний ланцюг, в зворотному напрямку і швидкість двигуна стане вище синхронної. При цьому потужність ковзання буде споживатися додатковою обмоткою з первинної обмотки і передаватися у вторинну обмотку. При фіксованому положенні щіток механічні характеристики двигуна М=f(n) подібні тим же характеристикам звичайних асинхронних двигунів.



Рис. 5.2. Принцип регулювання швидкості обертання трифазного колекторного двигуна з паралельним порушенням з подвійним комплектом щіток

На рис. 5.3 первинний струм I2 представлений у вигляді суми трьох складових:

I1 = IM + (-I’2) + (-I’д), (5.2)

де I’2 – наведений до первинної обмотки струм вторинної обмотки, а I’д - наведений до первинної обмотки струм додаткової обмотки ротора. Варто мати на увазі, що не наведені струми Iд = I2.



Рис. 5.3. Векторні діаграми трифазного колекторного двигуна з паралельним збудженням з подвійним комплектом щіток

На рис. 5.2 щітки b1 і b2 у всіх положеннях розташовані симетрично щодо фази вторинної обмотки. При цьому е.р.с. Е’д зрушена по фазі відносно е.р.с. Е'2S на 180° і впливає тільки на швидкість двигуна. Якщо механізм повороту щіток улаштований так, що щітки замість положення, зображеного на рис. 5.2, а, займають несиметричне щодо вторинної обмотки положення згодне рис. 5.4, а, то фаза е.р.с. Е'Д зміниться убік відставання на деякий кут а. У цьому випадку вектор струму I'2 повернеться убік випередження (рис. 5.4, б) і буде мати складову, що збігається по фазі з потоком Ф, що приведе до поліпшення двигуна або навіть до роботи останнього з випереджальним струмом. Відзначимо також, що раніше будувалися двигуни, у яких додаткова е.р.с. Е мала стосовно е.р.с. Es зрушення по фазі на 90° і збігалася по фазі з вектором Ф. У цьому випадку Е'Д майже не впливає на швидкість обертання і викликає тільки компенсацію двигуна. Такі машини називаються компенсованими асинхронними двигунами.

Двигуни розглянутого типу знайшли за кордоном найбільше поширення в текстильній, паперовій і цукровій промисловості. Вони будуються звичайно на потужність до 100—150 кВт при UH<500 В і с регулюванням швидкості в межах 3:1, що відповідає регулюванню ковзання в межах —0,5≤s?0,5. Пуск двигунів невеликої потужності звичайно виробляється прямим включенням у мережу при установці щіток у положення, що відповідає найменшої швидкості обертання. У могутніших двигунах для зменшення пускового струму застосовують також пускові реостати, фази яких включають послідовно з фазами вторинної обмотки.



Особливості комутації трифазних колекторних двигунів. При обертанні ротора двигуна з подвійним комплектом щіток секції його додаткової обмотки переходять по черзі з одних ділянок окружності ala2blb2c1c2 (рис. 5.1) в інші, причому під час цього переходу вони замикаються щітками накоротко і відбувається їхня комутація з відповідною зміною струму секції. Час комутації мало в порівнянні з періодом зміни змінного струму обмотки, і тому можна вважати, що зміна струму в комутуемій секції, що, дорівнює різниці миттєвих значень струмів у сусідніх ділянках додаткової обмотки в момент комутації. Наприклад, при переході секції з ділянки обмотки b2b1 (рис. 5.1) у ділянку b1а2 струм у секції змінюється від миттєвого значення струму I2 у фазі B2Y2 вторинні обмотки в цей момент часу до нуля. В інших видах багатофазних колекторних машин зміна струму комутує секції, що, дорівнює різниці миттєвих значень струмів сусідніх фаз.

Рис. 5.4. Принцип компенсації коефіцієнта потужності трифазного колекторного двигуна з паралельним збудженням з подвійним комплектом щіток

Внаслідок зазначеної зміни струму в комутуємій секції, що, індуктуеться така ж реактивна е.р.с. еr рівна сумі е.р.с. саме- і взаємної індукції, як і у машинах постійного струму. Різниця полягає лише в тім, що в результаті протікання в обмотці змінного струму е.р.с. ег у секціях, що комутирують послідовно, різна і змінюється у фазі зі струмом даної фази вторинної обмотки. Тому можна сказати, що е.р.с. ег змінюється у фазі зі струмом обмотки, з'єднаної з колектором. Реактивна е.р.с. ег у к.м.з.с. робить такий же вплив на комутацію, як і у машинах постійного струму, То обставина, що в к.м.з.с. ег є змінної, не має істотного значения.

Однак у комутирують секціях, що к.м.з.с., крім реактивної е.р.с. виникає також трансформаторна е.р.с. етр, що індуктуеться основним магнітним потоком Ф.

У багатофазних машинах ця е.р.с. виникає в результаті обертання Ф щодо секцій, що комутирують. Значення е.р.с. е не залежить від навантаження машини, ця е.р.с. існує також при нерухомій машині і зрушена по фазі відносно е.р.с. еr .

Наявність трансформаторної е.р.с. і труднощі її компенсації є основною причиною утруднених умов комутації к.м.з.с., зокрема багатофазних колекторних двигунів, що працюють, на принципі обертового магнітного поля і не мають додаткових полюсів.



Трифазні колекторні двигуни з паралельним збудженням і з живленням через статор. Поряд із трифазними двигунами з паралельним порушенням з подвійним комплектом щіток будуються також трифазні колекторні двигуни з паралельним порушенням (рис. 5.6) з первинною обмоткою 1, розташованої на статорі. Вторинна обмотка 2 при цьому поміщена на роторі, виконується за принципом якірних обмоток машин постійного струму і з'єднана з колектором.

Рис. 5.5. Принципова схема трифазного колекторного двигуна з паралельним збудженням і з живленням через статор

Для введення у вторинний ланцюг додаткової е.р.с. при цьому використається відповідний пристрій 3, що включається паралельно первинного ланцюга. Як такий пристрій можна використати трансформатор з регульованою вторинною напругою, здвоєна індукційний регулятор або індукційний регулятор із з'єднанням обмоток статора і ротора в загальний трикутник. Можливі також інші рішення. Наприклад, фірма АЕГ (Федеративна Республіка Німеччини) застосовує звичайний індукційний регулятор, що живиться від додаткової обмотки на статорі. Тому що в цього індукційного регулятора фаза е.р.с. Ед при зміні значення е.р.с. не залишається постійної, то одночасно з поворотом ротора індукційного регулятора здійснюється також поворот щіток на колекторі.

Рис. 5.6. Принципова схема трифазного колекторного двигуна з послідовним збудженням

У двигунах з живленням через статор також діє трансформаторна е.р.с, і ці двигуни також не мають додаткових полюсів. У ряді випадків для зменшення вторинного струму і полегшення комутації вторинна система виконується шестифазною і на колекторі встановлюється шестифазна система щіток зі зрушенням сусідніх щіткових пальців на 60° ел.

Відсутність контактних кілець у первинному ланцюзі дозволяє будувати двигуни з живленням через статор на високу напругу. Ці двигуни випускаються на потужності до РH=1500 кВт, хоча звичайно РH=150-200 кВт. Характеристики двигунів з живленням через статор і через ротор практично однакові.



Трифазні колекторні двигуни з послідовним збудженням (рис. 5.6) мають послідовне з'єднання обмотки статора і обмотки ротора, приєднаної до колектора. У двигунах високої напруги застосовується трансформатор, що включається між мережею і обмотками статора і ротора. В обмотці ротора індуктуеться е.р.с. від обертового поля. Крім того, у ланцюг ротора вводиться додаткова е.р.с. або напруга, тому що обмотка ротора з'єднана послідовно з обмоткою статора і напруга мережі розподіляється між цими двома обмотками.

Розглянутий двигун розвиває обертаючий момент у випадку, коли кут α між віссю фази обмотки статора і віссю відповідної еквівалентної фази ротора (рис. 5.6) відмінний від нуля і 180°, тому що в протилежному випадку вісі магнітних потоків, створюваних обмотками статора і ротора, збігаються і дотичні механічні зусилля, що діють на ротор, дорівнюють нулю. Звичайно щітки зрушують проти напрямку обертання поля. У цьому випадку ротор обертається по напрямку поля, внаслідок чого частота перемагнічування ротора і значення трансформаторної е.р.с. зменшуються. Нормально α = 130 - 160 °.



Рис. 5.7. Криві обертаючого моменту трифазного двигуна з послідовним збудженням

Вид механічних характеристик розглянутого двигуна показаний на рис. 5.7, де штрихова лінія розділяє області стійкої (1) і нестійкої (2) роботи. У стійкій області ці характеристики подібні до характеристик послідовного двигуна постійного струму. Для регулювання швидкості обертання двигун забезпечується механізмом повороту щіток. Пуск двигуна виробляється при α = 160.
5.3 Каскади асинхронних двигунів з колекторними машинами змінного струму

Деяке застосування знайшов ряд інших різновидів каскадів. Зокрема, якщо випрямляч і машину постійного струму замінити одноякірним перетворювачем звичайного типу з незалежним збудженням, то вийде каскад з одноякірним перетворювачем. У наш час каскади з одноякірними перетворювачами втратили своє значення.

Для регулювання швидкості обертання фазних асинхронних двигунів були розроблені також каскади з колекторними машинами змінного струму. Найбільше поширення одержав каскад з компенсованою колекторною машиною, розглянутий нижче. Відзначимо, що каскади з колекторними машинами змінного струму відрізняються від трифазних колекторних машин паралельного порушення, по суті, тим, що в каскадах джерело додаткової е.р.с. частоти ковзання, що вводить у вторинний ланцюг асинхронної машини виконується у вигляді окремої колекторної машини. Це дає можливість збільшити потужність установки.

Розглянемо спочатку деякі колекторні машини, застосовувані в каскадах.



Явнополюсна трифазна компенсована колекторна машина, запропонована А. Шербиусом в 1906 р. (рис. 5.8), має на статорі протягом кожного подвійного полюсного розподілу три явновиражених головні полюси 1, на яких розташовані обмотки збудження 4 різних фаз. Тому потоки окремих полюсів зрушені в просторі на 120° і пульсують у часі зі зрушенням по фазі також на 120°. Внаслідок цього приблизно можна вважати, що обмотки збудження створюють синусоїдально розподілене обертове поле. На роторі 3 є обмотка типу якірних обмоток постійного струму, приєднана до колектора, на якому розміщена трифазна система щіток. У полюсних наконечниках розміщена компенсаційна обмотка 5 для компенсації н.с. ротора. Обмотка ротора з послідовно з'єднаними компенсаційними обмотками становить трифазний головний, або робочий ланцюг машини. Між головними полюсами статора розташовані додаткові полюси 2 для поліпшення комутації. Кожен додатковий полюс має дві обмотки. Одна з них включається послідовно у відповідну фазу головного ланцюга і призначена для компенсації реактивної е.р.с. секцій, що комутирують, а друга включається послідовно у відповідну фазу обмотки збудження і призначена для компенсації трансформаторної е.р.с. (обмотки додаткових полюсів на рис. 5.8, б не показані). Щоб сторони секцій, що комутирують, розташовувалися під додатковими полюсами, крок обмотки ротора вкорочений на 1/3 Т. Завдяки такому пристрою машина має відносно гарну комутацію.

Рис. 5.8. Магнітна система (а) і принципова схема (б) трифазного компенсованої колекторної машини Шербиуса

Тому що н.с. обмоток ротора і компенсаційної рівні і спрямовані зустрічно, то ці обмотки створюють тільки потоки розсіювання. Обертовий потік збудження при n=0 індуктуе в обмотках ротора і компенсаційної е.р.с. рівні за значенням і протилежні за знаком. Тому при n = 0 е.р.с. у робочому ланцюзі Е2=0. Однак при обертовому роторі (n>0) швидкість обертання поля порушення щодо ротора змінюється і е.р.с. обмотки ротора зменшується (при обертанні по полю). Тому на затискачах головного ланцюга буде діяти е.р.с, пропорційна потоку порушення і швидкості обертання. Частота її при всіх умовах дорівнює частоті струму порушення f1=f2. Таким чином, розглянута машина по своїх властивостях аналогічна машині постійного струму з незалежним або паралельним порушенням залежно від схеми включення обмотки збудження. Вона може працювати як у режимі генератора, так і у режимі двигуна.

Рис. 5.9. Пристрій колекторного перетворювача частоти

М. П. Костенко і Н. С. Япольский запропонували також неявно полюсну трифазну компенсовану машину з розподіленою обмоткою збудження. За принципом дії ця машина аналогічна машині Шербиуса, але позбавлена додаткових полюсів.

Колекторний перетворювач частоти в найпростішому випадку складається тільки з ротора, на якому є обмотка, з'єднана з колектором і контактними кільцями, як і в одноякірному перетворювачі. Пази ротора закриті, утоплені в сердечнику ротора (рис. 5.9), і магнітний потік, створюваний обмоткою ротора, замикається зверху пазів. Можна також застосовувати ротор нормальної конструкції з напівзакритими, напіввідчиненими або відкритими пазами, але в цьому випадку для створення замкнутого магнітопровіда необхідна наявність статора у вигляді необмотаного сердечника. Ротор перетворювача частоти включається з боку кілець у трифазну мережу з певною частотою f1 і приводиться в обертання допоміжним двигуном. Споживаний з мережі струм, що намагнічує, створює обертове магнітне поле, і з боку щіток колектора виходить струм частоти ковзання f2=sf1. Машина не створює обертаючого моменту, приводний двигун покриває тільки втрати, і перетворена енергія споживається з первинного ланцюга. Фазу вторинної напруги можна регулювати поворотом щіток на колекторі.


1   2   3   4   5   6   7   8


База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка