Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

параллельно между положительной щеткой и дополнительной щеткой Д таким образом, чтобы расположенные рядом главные полюсы — продольный и попе­ речный — имели одинаковую полярность. Следовательно, машина является двухполюсной, в которой каждый полюс расщеплен на две части.

Регулирование тока возбуждения производится только в цепи обмотки возбуждения поперечных полюсов посредством реостата R p. При нагрузке возникает реакция якоря, которая может быть разложена по осям главных полюсов на составляющие: Fal, намагничивающую продольные полюсы, и Fa2, размагничивающую поперечные полюсы. Намагничивающее действие Fai мало сказывается на продольных полюсах, так как они из-за имеющихся в них вырезов сильно насыщены. Поэтому напряжение на обмотке возбуждения, обу­ словленное преимущественно продольными полюсами, мало изменяется с изме­ нением нагрузки. При увеличении тока / 2 обмотки якоря составляющая Fа2 сильно размагничивает поперечные полюсы. Этим достигается необходимая для

9-3. Самолетные и автомобильные генераторы

Эта группа электрических машин во многом отличается от промышленных, что объясняется различными условиями применения тех и других. Автомобиль­ ные и самолетные генераторы выполняются, как правило, параллельного воз­ буждения.

Напряжение автомобильных генераторов 6 и 12,5 в, самолетных — 27,5 и 28,5 в. Мощность автомобильных генераторов от 100 вт до 1 кет, самолетных — от 1 до 30 кет.

Наиболее распространен привод генераторов от основных двигателей само­ летов и автомобилей, имеющих переменную скорость вращения. Отношение наибольшей скорости вращения к наименьшей достигает 3 для самолетных гене­ раторов и 8 для автомобильных. Для поддержания постоянства напряжения в этих условиях генераторы снабжаются регуляторами напряжения.

Работа генераторов происходит при значительных вибрациях мест креп­ ления, поэтому для обеспечения надежного скользящего контакта приходится увеличивать давление на щетки в 3—4 раза но сравнению со стационарными машинами. Это приводит к увеличенному износу коллектора и щеток. Самолет­ ные генераторы, кроме того, работают в условиях больших изменений плот­ ности, влажности и температуры воздуха. С увеличением высоты полета коли­ чество водяных паров в единице объема воздуха уменьшается, поэтому ухуд­ шаются условия образования пленки окислов на коллекторе, и начиная с высоты 6 км пленка при обычных щетках не образуется. Это приводит к резкому увели­ чению коэффициента трения и износа щеток и коллектора и к уменьшению паде­ ния напряжения иод щетками. Токи короткого замыкания в секции значительно возрастают и это вызывает сильное искрение, вплоть до кругового огня. Ухуд­ шение коммутации вследствие разрушения пленки в свою очередь ведет к увели­ чению температуры коллектора и к дальнейшему нарушению скользящего контакта. Для сохранения пленки окислов на коллекторе применяются щетки марки МГС, пропитанные специальным составом.

Важным требованием к самолетным и автомобильным генераторам является возможно малый вес и размеры. Это достигается за счет более высокой рабочей температуры отдельных частей, применения интенсивного охлаждения и материалов лучшего качества. Более интенсивное использование активных материалов приводит к ограничению времени работы без ремонта до 500 ч само­ летных и до 3000 ч автомобильных генераторов.

А. Особенности конструкции. Станина автомобильных генераторов выпол­ няется из листовой стали. Из полосы вырубается заготовка, свертывается в цилиндр и сваривается. К станине 1 крепятся два главных полюса (рис. 9-3).

петлевая, выполняется проводом марки ПЭЛБО. Коллектор 7 цилиндрический

147

t крепленном пластин двумя копуснымп нажимными птайбамп и развальцовапной втулкой. Подшипниковые щиты 4 и 6 чугунные, в щитах помещаются шари­ коподшипники и ставятся уплотнения, предохраняющие подшипники от загряз­ нения. Щиты имеют заточки для центровки относительно станины и стягиваются двумя сквозными шпильками 8, которые проходят между катушками полюсов. К подшипниковому щиту 6 со стороны коллектора кренятся два пальца с щетко­ держателями. Для осмотра II смены щеток в станине над коллектором имеются окна, закрытые гибкой стальной лентой 5.

Генератор выполняется каплезащищепным с осевой вытяжной вентиляцией. Воздух поступает через отверстия в щите со стороны коллектора и выходит через отверстия щита со стороны привода и вентилятор, который объединен со шкивом 3.

Генератор крепится к корпусу двигателя автомобиля при помощи крон­ штейнов на подшипниковых щитах. Вращение осуществляется клиноремепной передачей.

Станина 2 самолетного генератора объединяется с подшипниковым щитом со стороны привода. Магннтопровод станины выполняется так же, как и в авто­ мобильных генераторах, сваркой из листовой стали; к получившемуся цилиндру приваривается подшипниковый щит (рис. 9-4). Число главных полюсов 4, 6 или 8, добавочных — 3 или 4. Главные полюсы 5 изготовляются из листовой стали, добавочные 4 — сплошные. Для удобства размещения катушек добавочных полюсов (если число добавочных полюсов равно половине главных) главные полюсы выполняются несимметричными, сердечник смещен относительно нако­ нечника. Сердечник якоря 3 собирается из дисков электротехнической стали толщиной 0,5—0,2 мм в зависимости от частоты неремагничивашія. Отдельные диски насаживаются на полый вал 7 или на промежуточную втулку. Обмотка якоря при мощности до 5 кет одноходовая волновая, при большей мощности — одноходовая петлевая с уравнительными соединениями. Крепление обмотки в пазах производится клиньями, лобовые части обмотки крепятся проволочными бандажами. Коллектор цилиндрический с креплением пластин двумя конусными нажимными шайбами и гайкой.

148

Рис. 9-4. Авиационный генератор: мощность 9 кет, напряжение 28,5 в

полагаются у края станины. Подшипниковый щит 8 со сторопы коллектора выполняется литой из алюминиевою сплава; в центре щита имеется залитая стальная втулка, в которой размещается шарикоподшипник. На щите укреп­ ляются зажимы для присоединения выводов обмоток и проводов сети.

Самолетные генераторы мощностью свыше 1,5 кет охлаждаются забортным воздухом, который по специальным трубам 9 подается к генератору и поступает в отверстия щита со стороны коллектора. При входе в машину воздух делится на две струн, одна из которых проходит в осевых каналах коллектора и сердеч­ ника якоря, попадает в вентилятор, и удаляется через отверстия станины со стороны привода. Вторая струя охлаждает рабочую поверхность коллектора и щетки; часть воздуха выходит через неплотно закрытые окна станины, а осталь­

Поддержание постоянства напряжения производится в большинстве случаев угольным регулятором; последовательно с обмоткой возбуждения генератора включается столбик пз угольных пластин, сопротивление которого изменяется при изменении давления между пластинами. Под действием регулятора

ная скоростная характеристика, т. е. зависимость тока возбуждения от скорости вращения при постоянном напряжении и токе нагрузки (рнс. 9-5). Наибольшая величина тока возбуждения / в.Макс будет при начальной скорости вращения и номинальной нагрузке, наименьшая / в.мии — при наибольшей скорости вра­ щения и холостом ходе. Регулировочная скоростная характеристика позволяет определить, в каких пределах должно изменяться сопротивление в цепи возбу­ ждения генератора. Чём больше это изменение, тем труднее условия работы регулятора.

150

9-4. Тахогенераторы

Для получения напряжения, пропорционального скорости вращения якоря генератора, применяются специальные машины малой мощности — так назы­ ваемые тахогенераторы. Это напряжение используется в автоматических устрой­ ствах и для измерения скорости вращения.

Согласно уравнению (3-22), при постоянство магнитного потока

Ег = ЯдаФа = к'Еп.

Чтобы выполнить поставленное условие Фа = const, применяется возбу­ ждение генераторов постоянными магнитами или от независимого источника электроэнергии.

Э. д. с. генератора

Е» = и + 1 Л = и ( 1 + - ^ ,

так как ток якоря генератора / 2 = U/rH, причем г2 — сопротивление цепи якоря и гн — сопротивление внешней цепи, на которую включен генератор.

т. е. при постоянстве сопротивления нагрузки и цени якоря сохраняется пропор­ циональность между напряжением генератора и скоростью вращения его якоря.

Характеристики тахогенератора приведены на рис. 9-6 для нескольких значений гн. По мере увеличения тока / 2 якоря начинает проявляться размагни­ чивающее действие реакции якоря, величина магнитного потока уменьшается, и характеристика тахогенератора отклоняется от прямой линии. В том же на­ правлении действует нагревание обмотки якоря. Для уменьшения этого влияния необходимо выбирать сопротивление гн возможно большим.

В начальной части характеристики заметно сказывается непостоянство сопротивления скользящего контакта, поэтому в тахогенераторах целесообразно применять щетки с малым переходным сопротивлением.

Существенное влияние на работу тахогенератора может оказать изменение тока возбуждения под влиянием нагревания обмотки или колебания напряжения источника независимого возбуждения. На рис. 9-7 показано изменение магнит­ ного потока, обусловленное одинаковым приращением тока А/в в насыщенной (АФд) и ненасыщенной (ДФ£) части характеристики намагничивания. Для

уменьшения влияния изменения тока возбуждения на величину магнитного

151

потока магнитную цепь тахогенератора следует делать насыщенной. Если же по условиям работы требуется сохранить пропорциональность между напря­ жением тахогенератора и током возбуждения, магнитную цепь делают ненасы­ щенной.

На рис. 9-8 показан тахогеператор с постоянными магнитами.

В корпусе 6 из алюминиевого сплава залиты полюсы 5 с постоянными маг­ нитами 7. Подшипниковые щиты 4 закрепляются стопорными кольцами 3. Якорь 2 вращается в шарикоподшипниках 1. На коллекторе установлены две

Рис. 0-8. Тахогенератор с постоянными магнитами

щетки 9. В случае необходимости регулирование магнитного потока может быть произведено магнитным шунтом 8 — тонкими стальными перемычками между полюсами.

Существенным преимуществом этих тахогенераторов является отсутствие источника энергии для возбуждения. Современные материалы для постоянных магнитов — сплавы типа альнико, магнико и др. — обладают стабильными магнитными свойствами и обеспечивают надежную работу генераторов в течение продолжительного времени.

9-3. Электромашинные усилители

Электромашпнный усилитель является элементом системы непрерывного регулирования, предназначенным для усиления электрических сигналов. По­ этому одной из основных характеристик его является коэффициент усиления мощности, равный отношению выходной электрической мощности Р2 к входной мощности Ру, т. е. ку = Р2/Р у.

Важным требованием к системе регулирования является возможно малое время передачи сигнала управления. Электромашпнный усилитель обладает электромагнитной инерцией, обусловленной главным образом потоком возбу­ ждения, которая увеличивает это время. Скорость протекания электромагнит­ ных процессов в цепи с индуктивностью L и активным сопротивлением г характе­ ризуется постоянной времени; Т = Ь/г.

Основной запас электромагнитной энергии сосредоточен в поле возбуждения наиболее мощной ступени усиления, поэтому быстродействие многоступенчатого усилителя определяется постоянной времени выходной ступени.

С увеличением коэффициента усиления возрастает также и постоянная времени усилителя. Сопоставление усилителей с различным ку и Т производится по коэффициенту добротности /сд = ку/Т.

А. Электромаппшные усилители с продольным полем. Простейшим видом электромашинного усилителя является генератор с независимым возбуждением (рис. 7-2), в общем случае — с несколькими обмотками на полюсах. В одну из обмоток подается возбуждение, и при вращении якоря происходит процесс пре­ образования механической энергии приводного двигателя в электрическую. Мощность возбуждения Ру составляет обычно 3—1% полезной мощности гене­

152

ратора Р2. Таким образом, коэффициент усиления элсктромагаишюго усилителя с независимым возбуждением при номинальной нагрузке составляет /сѵ -- = 30 -ь 100.

Характеристика холостого хода, т. е. зависимость выходного напряжения от величины сигнала при токе нагрузки I = 0, и внешняя характеристика ирн постоянной величине сигнала полностью совпадают с соответствующими харак­ теристиками генератора независимого возбуждения.

При спятии впешпей характеристики мощность возбуждения остается постоянной, поэтому коэффициент усиления равен нулю в точках холостого хода и короткого замыкания. По мере увеличения тока нагрузки коэффициент усиления растет и достигает максимальной величины, когда сопротивление внешней цепи равно сопротивлению цепи якоря, т. е. при значении напряжения, равном половине э. д. с. холостого хода. С дальнейшим увеличением тока на­ грузки коэффициент усиления уменьшается. Таким образом, в нормальных условиях элоктромагшшный усилитель работает далеко от максимума ку, при­

машинного усилителя, необходимо установить сопротивление цепи самовозбу­ ждения немного больше критического; тогда процесс самовозбуждения начнется только после подачи сигнала в обмотку управления.

Установившееся значение выходного напряжения определяется точкой пересечения характеристики холостого хода с линией падения напряжения в цепи самовозбуждения / шгш, где / ш ток самовозбуждения, гш — сопротивление цени самовозбуждения.

Величина Гу (рис. 9-11) представляет собой ток управления, приведенный к обмотке самовозбуждения, т. е. I у = I ywy/wm.

Так как насыщепие магнитной цепи сильно снижает коэффициент усиления, то самовозбуждающийся электромашинный усилитель работает обычно на пря­ молинейной части холостого хода.

Внешняя характеристика описанного усилителя приведена на рис. 9-12. Коэффициент усиления одноступенчатого усилителя составляет обычно

600-800.

Двухступенчатые электромашинные усилители имеют четырехполоспую магнитную систему и петлевую обмотку якоря без уравнительных соединений. Обмотка управления размещается на двух противоположных полюсах, а обмотка возбуждения второй ступени усиления — на всех четырех полюсах. Таким образом, в данном усилителе совмещаются две машины с общей обмоткой якоря: одна с двухполюсным п вторая с четырехнолюсным возбуждением. Шаг обмотки якоря ух делается полным или немного укороченным для четырехполюсной машины; следовательно, для двухполюсной машины укорочение шага будет значительным (ß2 = j/x/t2 « Уз).

Для получения наибольшей э. д. с. в обмотках с неукороченным шагом токораздел должен совпадать с геометрической нейтралью (§ 3-10), т. е. переклю­ чаемая секция должна охватывать наибольший возможный магнитный поток.

153

При этом токораздсл отстоит от осп полюса на т/2. В обмотках с укороченпым шагом токораздел верхнего слоя обмотки якоря не совпадает с токоразделом нижнего слоя. В этом случае переключаемая секция также должна охватывать наибольший магнитный поток. Тогда токораздел верхнего и нижнего слоев

самовозбуждением лителя

обмотки должен располагаться симметрично относительно полюса, т. е. на рас­

обмотки создает намагничивающую силу FB. Выходное напряжение снимается со средних точек между щетками В1 — ВЗ и В2 — В4, как в обычном четырех­ полюсном генераторе. Четырехполюсная обмотка самовозбуждения включается параллельно (рис. 9-14) или последовательно с нагрузкой и усиливает действие первой обмотки, Сопротивление цепи обмотки самовозбуждения устанавливается

154

немного больше критического. Ток Тт этой обмотки создает намагничивающую силу Ful.

Протекание по обмотке якоря уравнительного тока (т. е. тока возбуждения второй ступени усиления) между щетками В1 и ВЗ создает намагничивающую силу поперечной реакции якоря І \ и магнитный поток, направленный по оси полюсов 2—4. Если бы щетки В2 и В4 были разомкнуты, то между ними возникла э. д. с. в результате пересечения этого потока проводниками обмотки якоря; при замкнутых щетках по этой цепи также будет протекать уравнительный ток, создающий намагничивающую силу Р2 по оси полюсов 1—3, направленную встречно относительно потока обмотки управления. Чтобы устранить это неже­ лательное явление, уменьшающее эффективность тока управления, в машине ставятся компенсационные и противодействующие обмотки. Указанные обмотки

необходимы для улучшения свойств усили­

новешивает реакцию якоря, так как намагничивающая сила Fa является при­

чиной появления тока в цепи этой обмотки.

Компенсационная обмотка может быть распределена в полюсных наконеч­ никах (рис. 5-13) или же размещена на сердечниках полюсов. В усилителях применяется второй, более простой, тип обмотки. Для компенсации Рг обмотка располагается на полюсах 2 и 4 и включается в цепь щеток В1 —■ВЗ; для ком­ пенсации F2 обмотка располагается на полюсах 1 и 3 и включается в цепь щеток В2 — В4 (рис. 9-15). Это наиболее эффективный способ компенсации реакции якоря. Часто применяются обе обмотки.

Ток нагрузки / 2 в части обмотки возбуждения (и в компенсационной) направ­ лен согласно с током возбуждения / в, а в другой части обмоток их направления противоположны (рис. 9-14). Для того чтобы это не вызвало усиления и ослаб­ ления намагничивающей силы отдельных полюсов и появления уравнительных токов, обмотка возбуждения и компенсационная выполняются из полукатушек, и каждая ветвь этих обмоток размещается на всех полюсах. Ток нагрузки вызы­ вает четырехполюсную реакцию якоря, которая направлена по геометрическим нейтралям усилителя. Для улучшения коммутации в электроматшишых усили­ телях применяются добавочные полюСы. На этих же полюсах укладывается компенсационная обмотка для компенсации реакции якоря от тока нагрузки.

155

Коэффициент усиления двухступенчатого усилителя с продольным полем составляет 50 000—100 000; мощность может достигать нескольких сотен кило­ ватт.

Б. Электромашинные усилители с поперечным полем. В обычной машине постоянного тока поперечная реакция якоря искажает поле главных полюсов и часто нарушает коммутацию, поэтому принимается ряд мер для ослабления поперечной реакции якоря. В машинах с поперечным полем поперечный ноток реакции якоря используется для получения э. д. с. Для этой цели на коллекторе двухполюсной машины (рис. 9-16) укладывается дополнительная пара щеток В1 — В2, ось которых перпендикулярна оси основных щеток ВЗ — В4.

В электромашинном усилителе на индукторе размещаются одна или не­ сколько обмоток управления 1, создающих поток возбуждения Ф^. Якорь уси­

(

ВЗ — В4 замыкаются накоротко или через подмагничивающую обмотку 2.

то малая величина э. д. с. вызывает значительный ток / 2, который в свою очередь создает большой поперечный поток реакции якоря Фд. От пересечения потока Фд возникает э. д. с. Ея, которая снимается со щеток В1 — В2. При включении нагрузки в цепи щеток В1 — В2 будет протекать ток нагрузки / 3. Таким образом, усиление происходит в две ступени: первая ступень состоит из обмотки управ­ ления и цегш поперечных щеток ВЗ — В4, вторая ступень — из цепи попереч­ ных щеток и цепи продольных щеток В1 — В2.

Намагничивающая сила реакции якоря от тока І 3 направлена по продольной оси и действует навстречу намагничивающей силе обмотки управления. Так как в этих условиях поток управления Ф,і и коэффициент усиления уменьшаются, то для компенсации реакции якоря ставится компенсационная обмотка 3. Доба­ вочные полюсы 4 обычно устанавливаются только по продольной оси.

Общий коэффициент усиления электроманшнного усилителя с поперечным полем находится в пределах 2 000—10 000, но в некоторых случаях достигает 100 000, причем коэффициент усиления первой ступени в несколько раз меньше коэффициента усиления второй ступени.

150