Улучшение регулировочных свойств двигателей переменного тока

При постоянной частоте подводимого напряжения асинхронные двигатели обладают относительно плохими регулировочными свойствами, а синхронные двигатели являются нерегулируемыми. Одно из средств, с помощью которого можно осуществить как регулирование в заданных пределах скорости, так и улучшение коэффициента мощности, состоит в том, что во вторичную обмотку асинхронной иашины вводится дополнительная ЭДС. Естественно, что при этом добавочная ЭДС должна иметь в любых условиях работы ту же частоту, что и вторичная ЭДС, так как только в этом случае оба тока во вторичной обмотке могут вступить во взаимодействие в соответствии с условием однонаправленного преобразования энергии. Этот принцип имеет весьма важное значение и лежит в основе работы некоторых типов коллекторных машин переменного тока.

Чтобы создать добавочную ЭДС частоты скольжения, можно воспользоваться свойством коллектора преобразовывть частоту при

сохранении величины напряжения на щетках. На рисунке 1.1 показана

принципиальная конструкция ротора коллекторного преобразователя частоты (ПЧ). Его обмотка с одной стороны присоединена в трех точках к системе трехфазного тока через кольца и наложенные на них щетки, а с другой стороны – выведена на коллектор. На нем расположены на расстоянии 120 друг от друга 3 щетки . Сторону колец будем называть первичной стороной ПЧ, а сторону коллектора – его вторичной стороной. Статор на схеме не показан.

Его обмотка с одной стороны присоединена в трех точках к системе трехфазного тока через кольца и наложенные на них щетки, а с другой стороны – выведена на коллектор. На нем расположены на расстоянии 120 друг от друга 3 щетки . Сторону колец будем называть первичной стороной ПЧ, а сторону коллектора – его вторичной стороной. Статор на схеме не показан.

Пусть частота вращения ротора рана нулю, а щетки расположены на коллекторе так, как показано на рисунке, т.е. против точек . Это положение щеток будем считать исходным и от него вести отсчет углов поворота ротора . Протекающий по обмотке ротора 3-фазный ток создает магнитный поток, вращающийся относительно ротора с частотой вращения . Этот поток индуктирует в обмотке ротора синусоидальную ЭДС .

Так как каждая секция обмотки выводится на коллекторную пластину, то на коллекторе напряжение будет также распределено по синусоидальной зависимости. Эту кривую напряжения на коллекторе будем называть потенциальной волной. Она вращается с той же частотой вращения, что и магнитное поле. Следовательно, на щетках, наложенных на коллектор, получается система 3-фазного напряжения с частотой . Пренебрегая падением напряжения, можно считать, что

(1.1)

При сдвиге щеток с исходного положения на некоторый угол напряжение , оставаясь постоянным по величине, изменяется по фазе:

.

Знак «+» соответствует сдвигу против направления вращающегося потока, знак «-» по направлению потока.

Приведем теперь ротор во вращение с частотой в каком-нибудь направлении, например, навстречу потенциальной волне. Так как напряжение и частота питающей сети не изменились, то потенциальная волна на коллекторе, постоянная по величине, продолжает вращаться относительно коллектора с прежней частотой вращения . Но в пространстве, а значит, относительно неподвижных щеток волна перемещается с частотой . При вращении ротора по направлению волны – с частотой . Соответственно этому частота ЭДС на щетках может быть в общем виде написана следующим образом:

(1.2)

Согласно формуле (1.1) величина не зависит от скорости вращения ротора. Таким образом, рассматриваемая система позволяет регулировать частоту и фазу напряжения на щетках при = сonst. Это ценное свойство широко используется в целях регулирования скорости в коллекторных машинах переменного тока. Например, в трехфазном коллекторном двигателе с параллельным возбуждением (двигателе Шраге-Рихтера). От асинхронного двигателя этот двигатель отличается тем, что на роторе в пазах размещаются две обмотки, секции одной из которых соединены с коллекторными пластинами. Трехфазная обмотка ротора является первичной, а обмотка статора – вторичной. ЭДС частоты скольжения с коллектора через щетки вводится во вторичную обмотку статора. Щетки, расположенные на коллекторе, можно смещать, что приводит к изменению ЭДС вторичной цепи и в результате тока, электромагнитного момента и скорости двигателя.

В зависимости от способа соединения обмоток можно получить различные регулировочные свойства коллекторных электрических машин, чем и объясняется их разнообразие. Неудовлетворительная коммутация этих машин и низкая надежность, обусловленная наличием коллектора и щеточного аппарата, привели к вытеснению их из области регулируемого электропривода. Но представляет несомненный интерес реализация этого принципа в ЭМ с полупроводниковыми коммутаторами.