Трехфазные коллекторные двигатели

Двигатель Шраге — Рихтера

Рис. 6.2. Двигатель Шраге — Рихтера

Наибольшее распространение среди трехфазных коллекторных двигателей получили трехфазные коллекторные двигатели с параллельным возбуждением с двойным комплектом щеток, например двигатель Шраге — Рихтера (рис. 6.2), который был предложен в 1910 г. почти одновременно X. Шраге и Р. Рихтером.

Конструкция названного двигателя сходна с конструкцией асинхронного двигателя с фазным ротором. Отличие состоит в том, что в пазах ротора располагается вторая многофазная обмотка, секции которой выводятся на коллектор. Двигатель позволяет регулировать частоту вращения в широких пределах за счет введения в цепь вторичной обмотки добавочной ЭДС ± АЕ.

Трехфазное напряжение сети через щетки и кольца подводится к фазной обмотке ротора 1. В пазах ротора располагается вторая обмотка 2 — двухслойная, многофазная, секции которой выведены па коллектор 3. На коллекторе находятся три пары щеток, к которым подключены три фазы обмотки статора 4. Обмотка статора — обычная двухслойная или однослойная обмотка, расположенная в пазах. Конструкция машины — обращенная, вторичная обмотка расположена на статоре, а напряжение подводится к ротору.

Магнитное поле, созданное обмоткой ротора в воздушном зазоре, вращается в сторону, противоположную вращению ротора, и наводит в обмотке статора ЭДС скольжения f = f2s- С обмотки ротора 2, выведенной на коллектор через щетки, также снимается ЭДС скольжения f =/2s. Амплитуда этой ЭДС зависит от того, насколько раздвинуты щетки (рис. 6.3). Когда щетки занимают положение, показанное на рис. 6.3, а, АЕ вычитается из ЭДС ?), наводимой в обмотке статора. Когда положения щеток совпадают (рис. 6.3, б), АЕ = О. При положении щеток, показанном па рис. 6.3, в, ЭДС АЕ складывается с Е.

Регулирование АЁ путем изменения положения щеток

Рис. 6.3. Регулирование АЁ путем изменения положения щеток

Если АЕ вычитается, ЭДС Ё, уменьшается, что приводит к уменьшению тока 1 и снижению частоты вращения. Когда АЕ = 0, двигатель работает как асинхронный. При положении щеток, соответствующем рис. 6.3, в, АЕ складывается с Е и частота вращения становится выше синхронной. Перемещение щеток по коллектору осуществляется механизмом, который вращается вручную или с помощью приводного двигателя.

Введение добавочной ЭДС в цепь статора позволяет регулировать и реактивную мощность. Для этого щетки смещаются несимметрично (рис. 6.4). При этом АЕ вводится под углом к ?), что приводит к изменению реактивной составляющей тока 1 и изменению cos ф двигателя.

Рабочие характеристики двигателя Шраге —Рихтера сходны с характеристиками асинхронного двигателя. Пуск в ход осуществляется прямым включением в сеть.

Для составления уравнений электромеханического преобразования энергии в таком двигателе можно воспользоваться уравнениями асинхронной машины. При этом необходимо учесть наличие во вторичной обмотке ЭДС АЕ, увеличение сопротивления за счет обмотки 2 (см. рис. 6.2) и дополнительную МДС от тока, протекающего во вторичной обмотке.

Коммутация в коллекторных двигателях переменного тока отличается от коммутации машин постоянного тока, гак как наряду с реактивной ЭДС в коммутируемых секциях наводится трансформаторная ЭДС вследствие изменения основного потока. Трансформаторная ЭДС зависит от нагрузки и сдвинута по фазе относительно реактивной ЭДС.

Регулирование cos ф путем несимметричного изменения положения щеток

Рис. 6.4. Регулирование cos ф путем несимметричного изменения положения щеток

В большинстве типов коллекторных двигателей переменного тока добавочные полюсы не применяются, поскольку коммутация происходит в зоне рабочего поля и скомпенсировать трансформаторную ЭДС не удается.

Двигатели Шраге — Рихтера выполняются мощностью 1,5—250 кВт с пределами регулирования частоты вращения 2:1 или 4:1. Наличие трех пар щеток, затрудненная коммутация и ручное управление ограничивают применение таких двигателей. В СССР двигатели Шраге — Рихтера электротехнической промышленностью не выпускались.

Трехфазные коллекторные двигатели с параллельным возбуждением с питанием через статор обладают теми же характеристиками, что и двигатели Шраге — Рихтера, но ЭДС ДЕ вводится в цепь ротора с помощью трансформатора с регулируемым вторичным напряжением или с помощью индукционного регулятора (рис. 6.5). Обмотка статора 1, который ничем не отличается от статора асинхронной машины, присоединена к сети U,f. На роторе имеется многофазная обмотка 2 с секциями, выведенными на коллектор. В роторе наводится ЭДС частотой/2 = fs. Добавочная ЭДС вводится с помощью регулировочного устройства 3.

Для улучшения коммутации иногда устанавливают вместо трех щеток шесть, т.е. применяют вместо трехфазной системы регулирования ЭДС ДЕ шестифазную. Это снижает ток фазы ротора и уменьшает реактивную ЭДС.

Трехфазные коллекторные двигатели последовательного возбуждения имеют последовательно соединенные обмотки статора и ротора (рис. 6.6). Регулирование частоты вращения осуществляется путем поворота щеток или изме

Трехфазный коллекторный двигатель с параллельным возбуждением

Рис. 6.5. Трехфазный коллекторный двигатель с параллельным возбуждением

Трехфазный коллекторный двигатель с последовательным возбуждением

Рис. 6.6. Трехфазный коллекторный двигатель с последовательным возбуждением

нения подводимого напряжения. Механические характеристики такого двигателя сходны с характеристиками двигателя последовательного возбуждения.

В зависимости от положения щеток ротор двигателя может вращаться как в сторону вращения поля, так и против поля.

Как и во всех асинхронных двигателях, в коллекторных двигателях переменного тока электрическая мощность, забираемая из сети, передается вращающимся полем на ротор. Часть этой мощности Р,м( 1 - л) преобразуется в механическую мощность. В асинхронных двигателях мощность Pn[s преобразуется в тепло. В коллекторных двигателях переменного тока эта часть мощности через коллектор, преобразующий частоту скольжения в частоту сети, снова отдастся в сеть. Таким образом, введение в конструкцию машины механического преобразователя частоты — коллектора обеспечивает экономичную работу машины за счет отдачи энергии скольжения в сеть.

На рис. 6.7 представлена схема машины с питанием со стороны статора На статоре расположены главная обмотка 1 и вспомогательная 2 с меньшим числом витков для питания коллекторной обмотки 3. На роторе, кроме коллекторной обмотки, в тех же пазах располагается фазная или короткозамкнутая обмотка 4 асинхронной машины.

Компенсированные трехфазные асинхронные двигатели. В этих машинах, являющихся разновидностью коллекторных машин параллельного возбуждения, дополнительная ЭДС АЕ вводится в цепь ротора для регулирования коэффициента мощности. При этом коллекторная обмотка и коллектор рассчитываются на небольшую мощность. Компенсированные двигатели выполняются с питанием со стороны статора или ротора.

Компенсированный трехфазный асинхронный двигатель с питанием со стороны статора

Рис. 6.7. Компенсированный трехфазный асинхронный двигатель с питанием со стороны статора

Щетки на коллекторе устанавливаются таким образом, чтобы ЭДС Д? опережала ЭДС скольжения sE2.

При этих уело is иях намагничивающий ток компенсирует сдвиг фаз между L и Д в первичной обмотке и машина может работать при cos = 1.

Компенсированный коллекторный трехфазный двигатель с питанием со стороны ротора

Рис. 6.8. Компенсированный коллекторный трехфазный двигатель с питанием со стороны ротора

К. И. Шейфер предложил использовать в качестве вторичной обмотки массивный ротор с профрезерованными пазами, в которые укладывается коллекторная обмотка.

Схема компенсированного коллекторного двигателя с питанием со стороны ротора показана на рис. 6.8. На статоре имеется одна обмотка, соединенная с коллектором. На роторе располагаются две обмотки — главная и вспомогательная.

Коллектор, как очевидно из рассмотренных выше схем электрических машин, вместе с подключенной к нему обмоткой может быть источником реактивной мощности. Компенсированные асинхронные машины могут работать с cos ф = 1.

В начале XX в. ученые-электротехники представили десятки схем компенсированных коллекторных двигателей переменного тока. Одними из распространенных машин были явнополюсная трехфазная компенсированная коллекторная машина, предложенная А. Шербиусом, двигатель М. II. Костенко и Н. С. Япольского и др. [3].

Хотя трехфазные коллекторные машины в настоящее время находят небольшое применение, рабочие процессы в них имеют важное значение для понимания электромеханического преобразования энергии. В современных электроприводах широко применяются полупроводниковые преобразователи частоты, которые заменяют механический преобразователь частоты — коллектор. Знание коллектор-

ных машин дает возможность лучше разобраться в работе полупроводниковых преобразователей совместно с электрическими машинами.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >