Коммутация в машинах постоянного тока

Во время работы машины постоянного тока про­исходит непрерывное переключение секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую, при этом ток в переключенных секциях изменяет свое направление на противоположное. Так как время этого перехода очень мало, то скорость изменения тока в секции велика. Если учесть то, что секция размещена на стальном сердечнике (индуктивность велика), то процесс переключения секции может сопровождаться появлением в ней значительной ЭДС самоиндук­ции и, возможно, искрением.

Процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и все сопровож­дающие его явления называют процессом коммута­ции. Неудовлетворительная коммутация является электрической причиной искрения. Кроме электри­ческой причины искрения существует и механичес­кая – ухудшение контакта между коллектором и щетками. Необходимым условием долговечности машины постоянного тока является отсутствие искре­ния под щетками, поскольку искры быстро разруша­ют пластины коллектора и щетки.

Рис. 12. 5

 

Улучшение условий коммутации в машинах постоянного тока осуществ­ляется, главным образом, с помощью дополнительных полюсов. Дополнительные полюсы действуют следующим образом. ЭДС самоиндукции в коммутируемых секциях возникает при прохождении этих секций вблизи геометрической нейтрали и зависит от значе­ния тока нагрузки. Если в этот момент каким-либо дополнительным полем создать в коммутируемой секции

ЭДС, равную по величине и противоположную по направлению, то дополнительный ток при этом может быть скомпенсирован. Для создания этого до­полнительного поля на геометрической нейтрали раз­мещают дополнительные полюсы, обмотки которых включают последовательно в цепь нагрузки (рис. 12.6).

Рис. 12. 6. Машина постоянного тока: I _я – I _я дополнительные полюса расположенные на геометрической нейтрали; N – S главные полюса.

 

Поле дополнительных полюсов индуцирует в коммутируемых секциях коммутирующую ЭДС, про­порциональную току нагрузки и компенсирующую ЭДС самоиндукции в этих секциях. При этом поле дополнительных полюсов ослабляет также и влияние реакции якоря.

У генераторов за главным полюсом по направ­лению его вращения размещают дополнительный полюс противоположной полярности, а у двигателей — такой же полярности. Полярность дополнитель­ных полюсов сохраняется и при переходе машины из режима работы генератора в режим двигателя, по­скольку направление тока изменяется на противопо­ложное.

Электромашинные усилители

Простейшим усилителем мощности является обычный генератор постоянного тока с независимым возбуждением. Коэффициент усиления машины определяется отношением тока, протекаемого в обмотке якоря, к току возбуждения:

                                              12. 6

 

В таком исполнении коэффициент усиления равен порядка 15 – 30.
Усилительную способность генератора можно увеличить, если использовать каскадную схему включения генераторов. В этом случае с выхода первого генератора подключается обмотка возбуждения второго, а выход со второго генератора будет превышать по мощности вход первого в 1000 и более раз.
Каскадная схема применяется редко из-за своей громоздкости и дороговизны.

Чаще используют так называемые электромашинные усилители (ЭМУ). Электрическая схема ЭМУ приведена на рис. 12.21.

Рис. 12. 7. Схема включения электромашинного усилителя

 

Конструктивно электромашинный усилитель представляет собой коллекторную машину постоянного тока с независимым возбуждением, имеющую два комплекта щеток (продольные 1 – 1' и поперечные 2 – 2').
      Ток, протекающий по обмотке возбуждения I _в, создает продольный магнитный поток Ф_d направленный по оси полюсов машины. При вращении якоря на поперечных щетках 2 – 2' появляется ЭДС Е ₂ = СnФ_d. Так как они замкнуты накоротко, то в обмотке якоря появляется большой ток I ₂. Этот ток создает в обмотке якоря сильное поперечное магнитное поле реакции якоря Ф_q, неподвижное в пространстве и направленное по оси щеток 2 – 2'. Под действием магнитного потока Ф_q в якорной обмотке между щетками 1 – 1' возникает ЭДС Е ₁ = С n Ф_q >> Е₂, так как Ф_q >>Ф_d. При подключении к щеткам 1 - 1' нагрузки R_н в цепи потечет ток I_я превышающий ток I_в в десятки тысяч раз. Электромашинные усилители применяют для автоматического управления мощными электродвигателями.

Одноякорные преобразователи

Для преобразования переменного тока в постоянный, используют выпрямители. Преобразование постоянного тока в переменный можно осуществить электромашинными преобразователями. Каскад из двух машин (асинхронный двигатель переменного тока и генератор постоянного тока) вполне решают эту задачу.

Но бывает ситуация, когда необходимо преобразовать постоянный ток низкого напряжения в постоянный ток повышенного напряжения. Делается это в одной комбинированной машине, состоящей из двигателя и генератора постоянного тока с общей магнитной системой. Со стороны низкого напряжения это электродвигатель, а со стороны повышенного напряжения – генератор постоянного тока с независимым возбуждением.

В одних и тех же пазах якоря преобразователя заложены самостоятельные обмотки низкого и повышенного напряжения. Концы обмоток присоединены к соответствующему коллектору (рис. 12.8), причем обмотка повышенного напряжения имеет значительно большее число проводников, чем обмотка низкого напряжения.

Одноякорные преобразователи широко применяются в авиационной технике, а также в общепромышленных установках, где первичным источником постоянного тока является аккумулятор.

Одноякорные преобразователи постоянного тока в трехфазный переменный отличаются от рассмотренного следующим:

· обмотка повышенного напряжения состоит из трех секций, смещенных друг от друга на 120°;

· выводы секционных обмоток припаяны к трем контактным кольцам и с помощью токосъемных щеток переменный ток передается к потребителю.

Рис. 12. 8. Одноякорный преобразователь

 

12.8 Тахогенераторы постоянного тока

Тахогенераторами называют электрические машины малой мощности, работающие в генераторном режиме и служащие для преобразования частоты его вращения в электрический сигнал.

Тахогенераторы постоянного тока по принципу действия и конструктивному оформлению являются электрическими коллекторными машинами. Выходной характеристикой тахогенератора является зависимость величины напряжения на зажимах якоря U _я от частоты его вращения n при постоянном магнитном потоке возбуждения Ф и постоянном сопротивлении нагрузки R _нагр На рис. 12.9 показана выходная характеристика тахогенератора при различных R _нагр.

Рис. 12. 9. Характеристики тахогенератора

 

 

Тесты рубежного контроля 10, 11, 9.