Д ) Двигатель со смешанным возбуждением.

Схема двигателя со смешанным возбуждением представлена на рис. 5-66. Обычно последовательная обмотка включается согласно с параллельной таким образом, чтобы ее н.с. складывалась с н.с. параллельной обмотки В этом случае скорость вращения двигателя при увеличении нагрузки будет более резко падать, чем у двигателя с параллельным возбуждением и менее резко, чем у двигателя с последовательным возбуждением.

Рис. 5-66. Двигатель со смешанным возбуждением.

Двигатели с параллельным возбуждением, имеющие возрастающую скоростную характеристику (пунктирная кривая на рис. 5-58), не могут работать устойчиво, поэтому они снабжаются последовательной обмоткой с небольшим числом витков, действующей согласно с параллельной обмоткой.

Число ее витков рассчитывается таким образом, чтобы получилась падающая скоростная характеристика, при которой работа двигателя становится устойчивой. Такая последовательная обмотка называется стабилизирующей.

 

5-11. Параллельная работа генераторов

К параллельной работе генераторов постоянного тока приходится обращаться, например, при необходимости увеличения мощности станции, вырабатывающей постоянный ток.

Рассмотрим параллельную работу генераторов с параллельным возбуждением, как наиболее часто встречающихся.

На рис. 5-67 представлена соответствующая схема. Пусть генератор Г ₁ приключен к общим шинам и несет некоторую нагрузку; требуется включить на параллельную работу с ним второй генератор Г ₂. Для этого нужно установить напряжение на его зажимах равным напряжению на общих шинах, что достигается регулированием тока возбуждения (в редких случаях регулированием скорости вращения). Перед тем как включить однополюсный рубильник Р, необходимо проверить соответствие полярностей шин и зажимов приключаемого генератора, что делается при помощи вольтметра V ₁. Только в том случае, когда вольтметр V ₁ покажет нуль, можно включить однополюсный рубильник Р. После этого генератор Г ₂ будет включен на параллельную работу с генератором Г ₁. Однако он не отдает и не потребляет тока, так как его э.д.с. E и напряжение на шинах взаимно уравновешены.

Рис. 5-67. Параллельная работа генераторов с параллельным возбуждением.

Для того чтобы перевести часть нагрузки с генератора Г ₁ на генератор Г ₂, сохраняя при этом напряжение U на шинах постоянным, нужно изменить токи возбуждения обоих генераторов: у генератора Г ₁ ток возбуждения нужно уменьшить, а у генератора Г ₂ — увеличить. При этом согласно уравнению

изменятся токи и мощности, отдаваемые генераторами в сеть. Первичные двигатели сохраняют постоянную или почти постоянную скорость вращения, что достигается путем применения специальных регуляторов скорости, действующих обычно автоматически. При увеличении нагрузки генератора возрастает тормозящий момент, оказываемый им первичному двигателю, вследствие чего агрегат, состоящий из генератора и первичного двигателя, замедлит вращение. Но при этом подействует регулятор скорости, что вызовет приток рабочего вещества (воды, пара, горючего), поступающего в первичный двигатель, и последний снова будет вращаться со скоростью, равной (или почти равной) начальной скорости. Двигатель будет развивать мощность в соответствии с мощностью, отдаваемой генератором в сеть.

При уменьшении нагрузки генератора соответственно уменьшится мощность, развиваемая первичным двигателем.

Из предыдущего уравнения для тока якоря мы видим, что уменьшение Е_а будет вызывать уменьшение I_a. Если сделать E_a = U, то ток I_a будет равен нулю. Если дальше уменьшить Е_а, то ток в якоре изменит свое направление. Машина перейдет на работу двигателем, причем создаваемый ею электромагнитный момент будет теперь направлен в обратную сторону по отношению к тому же моменту при работе машины генератором. Следовательно, направление вращения машины не изменится.

В обычных условиях переход машины от работы генератором к работе двигателем недопустим, так как это может вредно отразиться на работе первичного двигателя. Поэтому параллельно работающие генераторы снабжаются автоматическим аппаратом, отключающим генератор при изменении направления тока.

Общая нагрузка при параллельной работе генераторов будет распределяться пропорционально их номинальным мощностям только в том случае, если их внешние характеристики, построенные с учетом изменения скорости вращения первичных двигателей в зависимости от относительного значения тока I / I _н, будут одинаковы.

При параллельной работе генераторов со смешанным возбуждением, имеющих согласное включение обмоток возбуждения, схема должна быть выполнена, как показано на рис. 5-68. Здесь необходим уравнительный провод a — b, так как при его отсутствии работа будет неустойчивой: будет наблюдаться случайное перераспределение нагрузки между генераторами. Действительно, начальная часть внешней характеристики а на рис. 5-55 показывает, что случайное увеличение э.д.с. одного из генераторов (например, вследствие возрастания скорости вращения) и, следовательно, увеличение его тока приводят к еще большему увеличению э.д.с. и тока до тех пор, пока скорость вращения первичного двигателя из-за перегрузки, а поэтому и э.д.с. генератора не снизятся настолько, что процесс нарастания тока прекратится. Ток другого генератора будет уменьшаться, и машина может даже перейти на работу двигателем.

Рис. 5-68. Параллельная работа генераторов со смешанным возбуждением.

 

5-12. Специальные машины постоянного тока

Здесь рассматриваются специальные машины постоянного тока, имеющие наиболее важное значение в теоретическом и практическом отношениях. По схемам соединений их обмоток, а иногда и по конструкции они отличаются от нормальных машин. Большинство же машин постоянного тока, используемых для специальных целей, от нормальных машин не отличаются.

а) Униполярные машины.

Идея униполярной машины должна быть понятна из рассмотрения рис. 5-69.

Рис. 5-69. К пояснению идеи униполярной машины дискового типа.

Можно себе представить что изображенный здесь диск состоит из очень большого числа проводников в виде секторов S. Каждый из них при вращении все время будет находиться в поле одной и той же полярности; следовательно, наведенная в нем э.д.с. все время будет направлена в одну сторону. При выбранных направлениях поля и вращения она всегда направлена от центра к периферия диска.

При вращении диска на смену одним проводникам будут приходить в соприкосновение со щетками другие проводники и мы будем получать постоянный ток.

По типу этой дисковой униполярной машины проф. Б.И. Угримовым (1906 г.) был спроектирован и построен униполярный генератор на 10000 А, 10 В при 10000 об/мин. Однако такой генератор работал неудовлетворительно, так как не удалось преодолеть затруднения, связанные с выполнением надежных контактов щеток с диском на его периферии, где скорость доходила до 170 м/с. К, его недостаткам надо также отнести необходимость применения специальных подшипников (например, гребенчатых), которые могли бы удовлетворительно работать при больших осевых усилиях. Последние обусловлены односторонним магнитным притяжением из-за неизбежного различия зазоров между полюсами и вращающимся диском.

Кроме указанной униполярной машины дискового типа, в СССР были построены униполярные машины цилиндрического типа. Одна из них системы инж. Б.В. Костина (1939 г.) показана на рис. 5-70. Здесь также большие затруднения создавались при выполнении надежных щеточных контактов. К тому же машина требовала большой затраты материалов и в этом отношении не имела преимущества по сравнению с коллекторными машинами.

Рис. 5-70. Униполярная машина цилиндрического типа системы инж. Б.В. Костина. 1 — чугунный или стальной статор, имеющий форму цилиндра; 2 — полюсы машины; 3 — кольцевые выступы по бокам статора; 4 — катушки обмотки возбуждения; 5 и 6 — кольцевые выступы на роторе; 7 — цилиндрические части ротора, на которые накладываются щетки 8.

После надлежащих усовершенствований, главным образом в отношении щеточных контактов и их охлаждения, униполярные машины цилиндрического типа могут найти себе применение там, где требуется постоянный ток в десятки тысяч ампер при низких напряжениях— порядка 6—10 В.

Рассмотренные униполярные машины, позволяющие получить постоянный ток без коллектора, называются также бесколлекторными машинами постоянного тока. Но хотя они и не имеют явновыраженного коллектора, все же здесь получается в скрытом виде коммутация, т. е. переключение проводников, на которые мы можем мысленно подразделить вращающийся диск или цилиндр.

Попытки построить бесколлекторные машины постоянного тока с обмоткой на якоре и без переключения ее витков не приводили и не могут привести к положительным результатам, так как невозможно создать такие условия, при которых величина d y/ dt (изменение во времени потокосцепления) какой-либо катушки имела бы постоянный знак в течение длительного времени.

б) Сварочный генератор с двойной полюсной системой.

Рассматриваемая машина иначе называется сварочным генератором с "расщепленными" полюсами. В Советском Союзе машины такого типа выпускаются заводом "Электрик". Одна из них схематически представлена на рис. 5-71. Здесь мы имеем двойную полюсную систему N ₁— N ₂ и S ₁— S ₂, причем полюсы N ₁ и S ₁ слабо насыщены, а полюсы N ₂ и S ₂ сильно насыщены (их сердечники имеют сравнительно небольшое сечение). Обмотка возбуждения присоединена к главной щетке В и к вспомогательной щетке b, помещенной между главными щетками А и В, находящимися на геометрической нейтрали.

Рис. 5-71. Сварочный генератор завода "Электрик".

При нагрузке, когда в якорной обмотке будет иметь место ток I_а, создается поперечная реакция якоря, которая будет размагничивать полюс N ₁ (набегающую половину двойного полюса N ₁— N ₂) и подмагничивать полюс N ₂ (сбегающую половину двойного полюса N ₁— N ₂). To же будем иметь для двойного полюса S ₁— S ₂. Так как полюсы N ₁ и S ₁ слабо насыщены, то их потоки сильно уменьшатся, потоки же полюсов N ₂ и S ₂ останутся почти без изменения, так как эти полюсы имеют сильное насыщение. В результате получим большое уменьшение напряжения U на щетках А — В. Напряжение U _в на щетках b — В почти не изменяется, так как оно зависит от потоков полюсов N ₂ и S ₂.

Внешние характеристики сварочного генератора показаны на рис. 5-72. Они достаточно благоприятны для целей электрической сварки. Установка наибольшего тока (тока короткого замыкания) достигается при помощи реостата в цепи возбуждения, показанного на рис. 5-71. Реактивная катушка L в цепи якоря служит для сглаживания тока при его резких колебаниях.

Рис. 5-72. Внешние характеристики сварочного генератора.

в) Трехщеточный генератор.

В трехщеточных генераторах обмотка возбуждения присоединяется к одной из главных щеток и к третьей (вспомогательной) щетке, сдвинутой относительно главной примерно на 120° (рис. 5-73). Такие генераторы мощностью от 65 до 25 Вт применяются в качестве источников тока на автомобилях. Они должны работать с нагрузкой, так как в противном случае при большой скорости вращения их напряжение U может чрезмерно возрасти. Постоянное напряжение U здесь может быть получено только при параллельной работе с аккумуляторной батареей. При этом ток генератора I остается почти постоянным при изменении скорости вращения в широких пределах (примерно 6:1).

Рис. 5-73. Трехщеточный генератор.

Напряжение между щетками А и b, подведенное к обмотке возбуждения будет в основном определяться потоком набегающей половины полюса, а этот поток при увеличении тока якоря будет уменьшаться из-за поперечной реакции якоря. Следовательно будет уменьшаться ток возбуждения, что ограничивает увеличение тока якоря.

На рис. 5-74 приведены характеристики генератора, которые показывают, что в пределах изменения скорости от n ₁ до n ₂ генератор отдает ток I _н нагрузке (например, лампам накаливания) и ток I — I _н аккумуляторной батареи. При скорости вращения, меньшей n ₀, генератор автоматически отключается при помощи специального реле и снова включается при помощи того же реле, когда скорость будет больше n ₀. При скорости, превышающей n ₂, генератор также отключается и начинает работать без нагрузки, что, как отмечалось, может привести к чрезмерному возрастанию напряжения U. Чтобы этого не было, в цепь обмотки возбуждения включается плавкий предохранитель, разрывающий эту цепь при возрастании тока возбуждения сверх допустимого.

Рис. 5-74. Характеристики трехщеточного генератора.

Рассмотренный трехщеточный генератор в последнее время заменяется обычным генератором, постоянство напряжения которого поддерживается при помощи вибрационного регулятора, что создает лучшие условия для работы аккумуляторной батареи.

г) Электромашинные усилители.

В последние годы в автоматических устройствах, наряду с усилителями — электронными, тиратронными, магнитными, гидравлическими — находят себе все более широкое применение электромашинные усилители, позволяющие получить на выходе большие мощности при незначительной мощности управления.

Обыкновенный генератор с независимым возбуждением может рассматриваться как усилитель. В этом случае мы должны считать мощность, подведенную к обмотке возбуждения, за "входную" Р _вх (или мощностью управления), а мощность на зажимах якоря—за "выходную" Р _вых.

Отношение Р _вых/ Р _вх = k _у называется коэффициентом усиления. Для нормальных машин небольшой мощности (0,5—30 кВт) k _у= 15-50, т. е. в таких машинах мы получаем "усиление" мощности в 15—50 раз (конечно, за счет мощности первичного двигателя, которым должен приводиться во вращение всякий электромашинный усилитель).

Можно при помощи двух генераторов независимого возбуждения получить двухступенчатый усилитель (рис. 5-75). Здесь общий коэффициент усиления будет равен произведению коэффициентов усиления отдельных машин k _y= k '_y k "_y. Он будет, следовательно, значительно больше, чем в предыдущем случае; для нормальных машин при мощности на выходе порядка 30 кВт k _у=1000-1200.

Рис. 5-75. Двухступенчатый усилитель, полученный из двух генераторов независимого возбуждения .

Рассмотренные усилители во многих случаях малопригодны для автоматических устройств. Основным их недостатком является большая "инерционность" цепей возбуждения, имеющих большие индуктивности. Следовательно, здесь мы не будем иметь быстро-отзывчивой реакции на изменение входной мощности Р _вх, что обычно требуется от усилителей. Кроме того, даже двухступенчатый усилитель, состоящий из двух обыкновенных генераторов, имеет недостаточный коэффициент усиления, особенно при малой мощности генераторов.

Отмеченные недостатки в значительно меньшей степени проявляются в электромашинном усилителе поперечногo поля, называемом сокращенно ЭМУ поперечного поля. Схема соединения его обмоток показана на рис. 5-76.

Рис. 5-76. Схема ЭМУ поперечного поля.

ЭМУ поперечного поля представляет собой коллекторную машину постоянного тока (обычно двухполюсную). Ее якорь не отличается от якоря нормальной машины, статор выполняется явно- или неявнополюсным. На коллектор накладываются две пары щеток: поперечные b — b и продольные a — a. Поперечные щетки b — b обычно замыкаются накоротко. На статоре помещаются обмотки возбуждения У ₁, У ₂, У ₃, …, называемые обмотками управления, и компенсационная обмотка K, действующая по той же оси, что и обмотки управления, т. е. по продольной оси машины. Продольные щетки а — а являются рабочими щетками; от них берется выходная мощность, подводимая, например, к исполнительному двигателю. Работа ЭМУ поперечного поля протекает следующим образом.

Ток в обмотке У ₁ (или токи обмоток У ₁, У ₂, У ₃, …) создает продольный поток, который будет наводить в обмотке якоря при его вращения э.д.с. Ее наибольшее значение будем иметь на щетках b — b, поставленных на геометрической нейтрали; на щетках а — а она равна нулю. Так как щетки b — b замкнуты, то в обмотке якоря возникнет ток i_b, причем достаточно иметь очень небольшой продольный поток, чтобы этот ток был большим. Ток i_b, протекая по обмотке якоря, создает сильное поперечное поле, которое при вращении якоря будет наводить э.д.с. на щетках а — а. Таким образом, это поле является рабочим полем машины, что и дало повод к ее названию. Ток i_a, поступающий во внешнюю цепь, проходит и по обмотке якоря и создает н.с., действующую против н.с. обмотки У ₁. Мы в этом можем убедиться, определяя при заданном направлении потока обмотки У ₁ направления созданных им токов i_b и затем токов i_a, созданных поперечным потоком (отметим, что полярность щеток а — а при данном направлении продольного потока не зависит от направления вращения якоря, так как при его изменении изменится по направлению ток i_b, а следовательно, и поперечный поток).

Намагничивающая сила якоря от токов i_a должна быть, очевидно, скомпенсирована, что достигается при помощи компенсационной обмотки К, по которой проходит ток i_a (или часть этого тока). Компенсация должна быть возможно более полной, так как в противном случае работа ЭМУ не может быть точной в отношении "управления мощностью" Р _вых. Поэтому иногда требуется опытным путем устанавливать необходимый ток в обмотке К при помощи шунтирующего ее реостата R. Здесь приходится считаться с действием продольной н.с. коммутируемых щетками b — b секций, созданной протекающими по ним добавочными токами при замедленной коммутации. В нормальных машинах мы этой н.с. обычно пренебрегаем, так как она мала по сравнению с н.с. обмотки возбуждения. В ЭМУ она может быть соизмерима с н.с. обмотки У ₁ и, следовательно, должна учитываться.

В ЭМУ поперечного поля получается двухступенчатое усиление мощности, причем здесь коэффициент усиления k _у может иметь очень высокие значения. Однако на практике он не превышает 10000.

Весьма ценным свойством ЭМУ поперечного поля является его малая "инерционность" и, следовательно, быстроотзывчивая реакция на изменение мощности, поступающей в обмотки управления. Эти обмотки имеют малые индуктивности в соответствии с малым потоком, создаваемым ими, и относительно большие омические сопротивления. Индуктивность обмотки якоря также относительно невелика.

В настоящее время ЭМУ поперечного поля изготовляются на мощности от десятых долей киловатта до нескольких десятков киловатт. Область их применения весьма обширна. Они применяются там, где необходимо управлять большими мощностями путем изменения малой мощности: например, для питания относительно мощных исполнительных двигателей. Большое распространение они получили в качестве вспомогательных машин для различных электроприводов, где позволяют получать автоматически наиболее благоприятные характеристики приводного двигателя.