pdf.php@id=6159.pdf

подвижный ферромагнитный сердечник (статор) при якорном управлении может быть массивным.

Из-за наличия большого немагнитного зазора между внешним и внутренним статорами требуется сильная обмотка возбуждения, габариты машины увеличива­ ются, а к. п. д. уменьшается. Подобные двигатели выпускаются мощностью до 10—15 вгп.

Двигатели с печатной обмоткой якоря (рис. 11-9) также обладают малой инер­ цией. Якорь этого двигателя имеет вид тонкого диска из немагнитного материала (текстолит, стекло и т. д.), на обеих сторонах которого расположены медные про­ водники обмотки якоря. Проводники выполняются путем гальванического трав­ ления листов медной фольги, наклеенных иа диск якоря, либо гальваническим

а - а

Рис. 11-8. Исполнительный двигатель постоянного тока с по­ лым немагнитным якорем

1 — передний щит; 2 — щеткодержатель; 3 — крышка смотрового лю» ка; 4 — коллектор; 6 — обмотка воэбужденвя; 7 — полюс; 8 — полый якорь; 9 — внутренний статор; 10 — задней щит

осаждением или переносом меди. Обмотка, изготовляемая таким способом, полу­ чила название печатной. Схема обмотки якоря обычная, двухслойная, причем проводники-отдельных слоев расположены на разных сторонах диска и соединя­ ются электрически между собой через отверстия в диске. Серебряно-графитные щетки скользят по неизолированной поверхности элементов обмотки якоря, как по коллектору.

Возбуждение осуществляется с помощью постоянных магнитов или обмотки возбуждения. Напряжение таких машин составляет 6—50 в. Ввиду хороших условий охлаждения допустимы большие плотности тока в обмотке якоря (до 30—40 а/мм2 при продолжительном режиме работы). В случае необходимости быстрого торможения после снятия напряжения сигнала диск якоря изготовляется из алюминия.

Тахогенераторы представляют собой маломощные электрические генераторы (обычно до Ра = 10 ч- 50 вт), которые служат в системах автоматики для пре­ образования скорости вращения в электрический сигнал (напряжение 1/с). От тахогенераторов требуется линейная зависимость 1/с = ( (п) с точностью до 0,2—0,5%, а иногда с точностью до 0,01%. В маломощных тахогеиераторах при п = 1000 об/мин напряжение {/<. = 3 н- 5 в, а в более мощных тахогеиераторах обычного применения при такой же скорости вращения {/с = 50 + 100 в.

Большинство тахогенераторов имеет обычную конструкцию машин постоян­ ного тока с независимым возбуждением при г„ = сопз1 или с постоянными магни­ тами При необходимости уменьшения механической инерции и устранения зубцовых пульсаций напряжения применяют конструкцию с полым якорем

Рис 11-9. Двигатель постоянного тока с печатной обмоткой якоря: а — разрез Двигателя, б — обмотка якоря

/ — диск якоря с обмоткой, 2 — вал, 3 — втулка, 4 — Щетки и щеткодержатель, 5 — постоянные магниты (полюсы), 6 — полюсные наконечники, 7 й К — диски из магнитномягкой стали

(см. рис. 11-8). В последнее время разрабатываются также униполярные тахогенераторы (см. рис. 11-7) с электромагнитным возбуждением или с постоян­ ными магнитами. При этом отсутствуют коллекторные пульсации напряжения, однако 1/с мало.

Исполнительные двигатели и тахогенераторы нормальной конструкции и с постоянными магнитами выпускаются в СССР серийно. Широко применяются также исполнительные двигатели и тахогенераторы переменного тока.

§ 11-3. Электромашинные усилители

Общие сведения. В автоматических устройствах возникает необходимость усиления электрической мощности, получаемой от различных маломощных изме­ рительных элементов или преобразователей (температуры, давления, влажности, химйческого свойства среды и т. д ). В частности, преобразователями скорости вращения являются рассмотренные выше тахогенераторы. Использованные для указанной цели устройства называются у с и л и т е л я м и .

В технике применяются различные виды усилителей электрической мощности: электронные (ламповые), полупроводниковые, магнитные и электромашинные. Последние представляют собой специальную разновидность электромашиниых генераторов, которые приводятся во вращение приводными электрическими дви­ гателями с п = сопз1. Усиление мощности при этом происходит за счет мощности, получаемой от приводного двигателя. Электромашиниые усилители (ЭМУ) при­

меняются для автоматического управления работой электрических машин в раз­ личных производственных и транспортных установках [34].

Очевидно, коэффициент усиления мощности

( П - 4 )

Обычно требуется, чтобы при изменении режима работы ЭМУ ку = соп$1. Для этого магнитные системы'ЭМУ выполняются ненасыщенными.

От ЭМУ требуется также большое быстродействие работы, т. е. быстрое изме­ нение Рвьа при изменении Р„. Быстродействие определяется электромагнит­ ными постоянными времени обмоток ЭМУ.

Г=Т/г.

Быстродействие ЭМУ можно оценить некоторой эквивалентной постоянней времени Т9, учитывающей, скорость протекания переходных процессов в ЭМУ в целом. Обычно Ть =ч 0,05 ч- 0,3 еек.

Во избежание замедляющего действия вихревых токов, индуктируемых при изменении Ф в магкитопроводе, последний изготовляется полностью из листовой электротехнической стали высокого качества. Влияние гистерезиса магнитной цепи сводится-к минимуму выбором соответствующей марки стали, а также спе­ циальными дополнительными мерами.

Для оценки качества ЭМУ вводится также понятие д о б р о т н о с т и йд, которая определяется как

Желательно, чтобы кжбыло больше, что возможно при больших ку и малых Тв. Однако увеличение ку обычно приводит к увеличению Тл и наоборот. Нарример, при увеличении сечений магнитопровода ЭМУ магнитный потай, выходное напря­ жение, выходная мощности и коэффициент усиления мощности увеличиваются. Однако одновременно увеличиваются также индуктивности и постоянные вре­ мени обмоток. Поэтому величины ку и Тв приходится выбирать компромиссным образом.

Номинальная выходная мощность современных ЭМУ достигает 100 кет. Мощ­ ность управления колеблется от долей ватта до нескольких ватт. Первые ЭМУбыли построены в 1937 г.

Одноступенчатые ЭМУ с независимым возбуждением. В качестве простейшего ЭМУ можно рассматривать обычный генератор постоянного тока с независимым возбуждением с расслоенной магнитной цепью индуктора и якоря. При этом об­ мотка возбуждения является обмоткой управления, а цепь якоря — выходной цепью. Так как в таких генераторах Р , = (0,01 ч- 0,02) Р„, то ку = 50 ч- 100,

Машины постоянного тока /Р а з д . I

Ввиду малой величины ку такие усилители применяются редко. Впрочем, в ка­ честве подобных ЭМУ можно рассматривать обычные электромашинные возбу­ дители крупных машин постоянного и переменного тока.

Двухмашинные ЭМУ. Рассмотренные выше простейшие ЭМУ имеют одну ступень усиления мощности — от обмотки возбуждения (управления) к обмотке якоря. Для увеличения ку ЭМУ изготовляются с двумя или большим количеством ступеней усиления. Общий коэффициент усиления ку при этом равен произведе­ нию коэффициентов усиления от-

ку возбуждения 0В генератора^, цепь якоря последнего (02. /2) является выходной цепью, подключаемой к управляемому объекту.

ЭМУ по схеме рис. 11 10 изготовляются западногерманской фирмой «СименсШуккерт» под названием «рапидин». Обе машины располагаются в общем корпусе. При этом достигается ку = 10000.

Обычно все ЭМУ имеют несколько обмоток управления, которые размещаются рядом друг с другом на общем участке магнитной цепи (полюсах). При этом можно осуществлять управление в зависимости от нескольких величин (например, в зависимости от скорости вращения и тока

обмотке ПО, создает поток Фх = Ых поперечного поля. Поток Фх индуктирует э. д. с. в выходной цепи (щетки 2—2), в результате

чего в цепи нагрузки возникает ток /а = / вь]х и на выходных зажимах — напря­ жение и г = о вых.

Продольная размагничивающая н. с. тока /2 практически полностью компен­ сируется с помощью компенсационной обмотки КО, чтобы снизить мощность управления и увеличить коэффициент усиления. Если действие КО является слишком сильным, то возникает опасность самовозбуждения ЭМУ как генератора последовательного возбуждения, в результате чего нормальная работа ЭМУ нару-

шается. Обычно КО выполняется с некоторым запасом (перекомпенсация), и регулирование (ослабление) ее действия производится с помощью шун­

с сильной поперечной подмагничивающей обмоткой и добавочными полюсами для улучшения коммутации щеток 1—1 мощностью до Рн= 100 кет.

Существуют также некоторые другие, менее распространенные типы ЭМУ.

§ 11-4. Машины постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами

Коллектор и щеточный аппарат машины постоянного тока составляют узел, вызывающий трудности при проектировании, изготовлении и эксплуатации ма­ шины. Отсюда вытекает желание заменить этот узел бесконтактны^ коммутатором тока, что возможно осуществить с помощью управляемых электрических венти­ лей, в особенности полупроводниковых.

Построить электромашинный источник постоянного тока без механического коллектора нетрудно. Для этой цели можно использовать синхронный генератор (см. разд. 5) в сочетании с полупроводниковым выпрямителем постоянного тока. Поэтому основной задачей является создание двигателей постоянного тока с полу­ проводниковыми коммутаторами. Возможны две разновидности таких двигателей.

Вобоих разновидностях обмотка якоря вместе с полупроводниковым коммута­ тором располагается на неподвижной части машины (статоре), а индуктором является ротор машины. При этом на роторе размещаются полюсы в виде постоян­ ных магнитов или возбуждаемые постоянным током через контактные кольца.

Впервом случае двигатель полностью лишен скользящих электрических кон­ тактов (бесконтактный двигатель).

На рис. 11-13 схематически изображен двигатель, в котором применяется такая же замкнутая обмотка якоря 1, как и у обычных машин постоянного тока.

Д л я простота на рис. 11-13 представлен двухполюсный дввгатель с малым коли­ чеством секций в Обмотке якоря. Роль коллекторных пластин н щеток здесь играют управляемые полупроводниковые вентили—тиристоры Г , 1", 2', 2" и т д., соединяющие обмотку якоря 1 со сборными шинами 2. Шины 2, в свою очередь, присоединяются к сети постоянного тока.

+

и

Рис. 11-13. Схема двигателя постоянного тока с полупровод­ никовым коммутатором и с обмоткой якоря типа обмотки постоянного тока

В положении ротора 3, изображенном иа рис. 11-13, ток должны проводить тиристоры групп V — 2* и 6' — 6". Предположим, что ток проводят тиристоры 2' и 6". Тогда ток /„ = 2 распределится по обмотке якоря так, как показано иа рис. 11-13. Пусть при этом создается поток реакции якоря Ф„, направление которого также показано на рис. 11-13. Тогда возникнет электромагнитный мо­ мент М , под воздействием которого ротор будетповорачиваться почасовой стрелке. После поворота ротора на 1/в оборота необходимо отключить тиристоры 2 , 6 ’ в включить тиристоры 3', 7", затем после поворота ротора на */, оборота — включить тиристоры 4', 8‘ и т. д. В результате такого согласованного с вра­ щением ротора переключения тиристоров рассматриваемая машина работает

подобно нормальной машине постоянного тока В имеет такие же характе­ ристики.

Включение и отключение тиристоров производится посредством подачи на их управляющие электроды импульсов электрического напряжения с соответствую­ щей длительностью. Эти импульсы вырабатываются специальным устройством, реагирующим на положение ротора (на рис. 11-13 не показано). В простейшем случае такое устройство состоит из вспомогательного постоянного магнита, укрепленного на роторе двигателя, и из укрепленных на статоре, по его

рачиваться вслед за полем якоря. Управление полупроводниковым коммутато­ ром осуществляется по такому же принципу, как и у двигателя, рассмотрен­ ного выше.

Отметим, что коммутатор, изображенный на рис. 11-14, в Сущности является полупроводниковым инвертором, преобразовывающим постоянный ток в трехфазный'переменный ток.

На рис. 11-15, б представлены идеализированные кривые тока в «фазах» обмотки. Цифрами 1—6 на этом рисунке указаны интервалы времеаа, которые соответствуют позициям 1—6 на рис. 11-15, а. В действительности благодаря сглаживающему влиянию индуктивностей обмотки форма кривых тока прибли­ жается к синусоидальной.

На основании изложенного представленная На рис. 11-14 машина является в сущности трехфазной синхронной машиной (см. разд. 5), которая пи­ тается через трехфазный инвертор тока. Однако она обладает всеми свой­ ствами обычной коллекторной машины постоянного Тока по той причине,

Рис. 11-15. Последовательность направлений токов в «фазах» обмотки якоря двигателя по схеме рис. 11-14 (а) и идеализированные формы кривых тока в «фа­ зах» обмотки якоря (б)

Более подробные сведения о машинах постоянного тока с полупроводнико­ выми коммутаторами содержатся в книге И. И. Овчинникова и Н. И. Лебедева [37].

§ 11-5. Магнитогидродинамические машины постоянного тока

Магнитная гидродинамика (МГД) является областью науки, изучающей зако­ номерности физических явлений в электропроводящих жидких и газовых средах прн их движении в магнитном поле. На этих явлениях основан принцип действия различных магнитогидродинамических (МГД) машин постоянного и переменного тока. Некоторые МГД машины начинают в последнее время находить применение в различных областях техники, а другие имеют значительные перспективы при­ менения в будущем. Ниже кратко рассматриваются принципы устройства и дей­ ствия МГД машин постоянного тока [43, 44].

Электромагнитные насосы для жидких металлов. В насосе постоянного тока (рис. 11-16) канал 2 с жидким металлом помещается между полюсами электро­ магнита 1 ис помощью электродов 3, приваренных к стенкам канала, через жидкий металл пропускается постоянный ток от внешнего источника. Так как ток к жидко­

му металлу в данном случае подводился кондуктивным путем, то такие насосы называются также к о н д у к ц и о н н ы м и .

При взаимодействии поля полюсов с током в жидком металле на частицы металла действуют электромагнитные силы, развивается напор и жидкий металл приходит в движение. Токи в жидком металле искажают поле полюсов («реакция якоря»), что приводит к снижению эффективности насоса. Поэтому в мощных насо­ сах между полюсными наконечниками и каналом помещаются шины («компенса­ ционная обмотка»), которые включаются последовательно в цепь тока канала во встречном направлении. Обмотка возбуждения электромагнита (на рис. 11-16 не показана) обычно включается последовательно в цепь тока канала и имеет при этом только 1—2 витка.

Применение кондукционных насосов возможно для малоагрессивных жидких металлов и при таких температурах, когда стенки канала можно изготовить из жаропрочных металлов (немагнитные нержавеющие стали и т. д.). В противном

Преимущество электромагнитных насосов состоит в том, что они не имеют движущихся частей и тракт жидкого металла может быть герметизирован.

Насосы постоянного тока требуют для питания источников с большой силой тока и малым напряжением. Для питания мощных насосов выпрямительные уста­ новки малопригодны, так как они получаются громоздкими и с малым к. п. д,- Более подходящими в этом случае являются униполярные генераторы (см. § 11-1).

Плазменные ракетные двигатели. Рассмотренные электромагнитные насосы являются своеобразными двигателями постоянного тока. Подобные устройства в принципе пригодны также для разгона, ускорения или перемещения плазмы, т. е. высокотемпературного (2000—4000 °С и больше) ионизированного и поэтому электропроводящего газа. В связи с этим производится разработка реактивных плазменных двигателей для космических ракет, причем ставится задача получения скоростей истечения плазмы до 100 км/сек. Такие двигатели не будут обладать

большой силой тяги и поэтому будут пригодны только для работы вдали от планет, где поля тяготения слабы; однако они имеют то преимущество, что весовой расход вещества (плазмы) мал. Необходимую для их питания электрическую энергию предполагается получить с помощью ядерных реакторов. Для плазменных дви­ гателей постоянного тока трудную проблему составляет создание надежных электродов для подвода тока к плазме.

Магнитогидродииамические генераторы. МГД машины, как н всякие элект­ рические машины, обратимы. В частности, устройство, изображенное на рис. 11-16, может работать также в режиме генератора, если через него прогонять

проводящую жидкость или газ. При этом целесообразно иметь независимое воз­ буждение. Генерируемый ток снимается с электродов.

На таком принципе строятся электромагнитные расходомеры воды, растворов щелочей и кислот, жидких металлов и т. п. Э. д. с. на электродах при этом про­ порциональна скорости движения или расходу жидкости.

МГД генераторы представляют интерес с точки зрения создания мощных элек­ трических генераторов для непосредственного превращения тепловой энергии

вэлектрическую. Для этого через устройство вида, изображенного иа рис. 11-16, необходимо пропускать со скоростью порядка 1000 м/сек проводящую плазму.

Такую плазму можно получить при сжигании обычного топлива, а также путем нагревания газа в ядерных реакторах. Для увеличения проводимости плазмы

внее можно вводить небольшие присадки легко ионизируемых щелочных ме­ таллов.

Электропроводность плазмы при температурах порядка 2000—4000 °С отно­

сительно мала (удельное сопротивление около 1 ом -см = 0,01 о м -м = 10® ом ■млР/м,

т. е. примерно в 500 000 раз больше, чем у меди). Тем не меиее в мощных генера­ торах (порядка 1 млн. кет) возможно получение приемлемых технико-экономи­

ческих показателей. Разрабатываются также МГД генераторы с жидкометалли­ ческим рабочим телом.

При создании плазменных МГД генераторов постоянного тока возникают трудности с выбором материалов для электродов и с изготовлением надежных в работе стенок каналов. В промышленных установках также сложную задачу представляет собой преобразование постоянного тока относительно низкого на­ пряжения (несколько тысяч вольт) и большой силы (сотни тысяч ампер) в пере­ менный ток.