Коммутация и способы её улучшения

Под коммутацией понимают все явления и процессы, возникающие под щётками при работе коллекторных электрических машин. Если щётки искрят, то говорят, что машина имеет плохую коммутацию. Если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Качество коммутации в значительной степени определяет работоспособность машины и её надёжность в эксплуатации.

При вращении якоря, каждая секция его обмотки, проходя через нейтраль, меняют свое положение под полюсами и переходят из одной параллельной ветви в другую. При этом секции закорачиваются щёткой, и в них резко изменяется направление тока.

Процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и изменения в них тока, называется процессом коммутации.

Рисунок 5.19. Переход секции обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую

(а и б) и кривая изменения тока в секции

Щётки, установленные на коллекторе, разбивают обмотку якоря на параллельные ветви. Предположим, что в какой-либо момент секция 1 (рис.5.19.а) находится в нижней параллельной ветви, при этом ток ветви i_я протекает по секции в направлении от её начала Н к концу К (для простоты принимаем, что щётки скользят не по коллектору, а непосредственно по виткам обмотки якоря). Через некоторое время якорь повернётся и секция 1 окажется в верхней параллельной ветви (рис.5.19.б). При этом ток i_я будет проходить по секции в обратном направдении, т.е. от её конца К к началу Н.

Большую часть времени, соответствующего одному обороту якоря, ток секции равен току параллельной ветви i_я. Но, перемещаясь под полюсами, секция попадает то в одну, то в другую параллельную ветвь, и направление тока в ней периодически меняется.

Период времени, в течение которого происходит изменение направления тока в секции, называется периодом коммутации. В это время соединённые с секцией коллекторные пластины соприкасаются со щёткой. Секция начинает коммутироваться в момент, когда коллекторные пластины, между которыми подключена секция, перекрываются набегающим краем щётки. Заканчивается этот процесс коммутацией этой секции в момент выхода указанных коллекторных пластин из-под противоположного (сбегающего) края щётки.

Рассмотрим более подробно процесс коммутации в какой-либо секции обмотки якоря двухполюсной машины при различных положениях щётки относительно коллекторных пластин. Для простоты будем считать, что ширина щётки равна ширине коллекторной пластины.

Рисунок 5.20. Схемы коммутации проводников

В начальный момент коммутации (рис.5.20.а) щётка перекрывает коллекторную пластину 1, и ток в обмотке якоря I_я =2i_я, пройдя щётку и коллекторную пластину, разветвляется на две ветви, при этом по каждой параллельной ветви (правой и левой) протекают токи i_я.

При вращении якоря коллекторные пластины сдвигаются относительно щётки, и через некоторое время щётки начинают перекрывать обе коллекторные пластины 1 и 2, замыкая накоротко коммутируемую секцию 1-4, обозначенную красной линией (рис.5.20.б). При этом через коммутируемую секцию будет протекать некоторый ток i, в обеих же параллельных ветвях будут проходить токи i_я. Поэтому через набегающую коллекторную плпатину 1 будет проходить ток i₁=i_я+i, а через сбегающую пластину 2 - i₂=i_я-i.

В конце процесса коммутации (рис.5.20.в) щётка сходит с коллекторной пластины 1 и перекрывает только одну пластину 2, при этом ток в коммутируемой секции направлен противоположно его направлению в начале коммутации.

Таким образом, в течение периода коммутации Т_к секция 1-4 переходит из правой параллельной ветви в левую. Ток i в коммутируемой секции линейно изменяется от + i_я до - i_я, ток i₁ - от 2i_я до нуля, а ток i₂ - от нуля до 2i_я. Такая коммутация называется прямолинейной, идеальной.

В действительных условиях работы машин постоянного тока процесс коммутации протекает более сложно. Период коммутации Т_к составляет примерно 0,001- 0,0001 сек. Скорость изменения тока очень велика и значение э.д.с. самоиндукции довольно большое. В процессе коммутации участвует одновременно несколько секций, замыкаемых накоротко щётками. Сумма возникающих в каждой коммутируемой секции э.д.с. самоиндукции и взаимоиндукции называется реактивной э.д.с. Реактивная э.д.с. нарушает условия без искровой работы щеток, так как в секции возникает дополнительный ток. Величина дополнительного тока зависит от величины возникающей реактивной э.д.с. и сопротивления короткозамкнутого контура, которое, главным образом, зависит от сопротивления щеточного контакта. Увеличение нагрузки ведет к возрастанию реактивной э.д.с.

Способы улучшения коммутации:

1. уменьшение реактивной э.д.с.:

· за счёт уменьшения индуктивности секции; для этого уменьшают число витков (делают одновитковыми);

· пазы якоря делают открытыми и не очень глубокими (не более 4,5-5,5 мм),

· одну сторону каждой секции располагают в верхнем слое паза, а другую – в нижнем;

· уменьшают ширину щётки (в тяговых двигателях и генераторах щётка перекрывает 3,5-4,5 коллекторных пластины);

· в крупных машинах уменьшают длину, окружную скорость и суммарный ток проводников в пазах якоря, увеличивают диаметр якоря(поэтому машины постоянного тока имеют примерно на 20-25% меньшую мощность, чем машины переменного тока при тех же габаритных размерах и частоте вращения).

2. компенсацией реактивной э.д.с. и э.д.с. вращения от потока якоря:

· при изменении нагрузки машины от холостого хода до несколько большей её номинальной применяют добавочные полюсы между главными полюсами (для создания дополнительного внешнего коммутирующего магнитного поля);магнитный поток направлен против потока якоря в коммутационной зоне и компенсирует его; коммутирующая э.д.с. должна быть примерно равна реактивной э.д.с. (не более 0,8-1,0 В);

· для увеличения предельной нагрузки поперечное сечение сердечников добавочных полюсов увеличивают и устанавливают значительно большие воздушные зазоры под главными полюсами;

· обмотку добавочного полюса размещают ближе к якорю;

· в воздушный зазор между остовом и торцами сердечников добавочных полюсов устанавливают немагнитные прокладки для обеспечения без искровой работы щеток и замедления магнитного насыщения сердечников;

· путём смещения щеток с геометрической нейтрали на физическую. Этот способ не дает автоматической настройки при изменении нагрузки, как применение добавочных полюсов.

3. уменьшение тока коммутации i_к путем увеличения сопротивления цепи коммутирующей секции:

· переход от медных щёток к электрографитированным (с достаточно высоким активным сопротивлением: слишком высокое сопротивление приведет к увеличению потерь и нагреву щеток, что может ухудшить коммутацию);

· применение разрезных щёток.

Контрольные вопросы

1. Что такое процесс коммутации?

2. Дайте определение периода коммутации.

3. Назначение реактивной э.д.с.

4. Способы уменьшения реактивной э.д.с.

5. Способы компенсации реактивной э.д.с.

6. Способы улучшения коммутации.

5.5. Способы возбуждения электродвигателей.

Пуск и торможение электродвигателей постоянного тока

Свойства электродвигателей постоянного тока определяются в основном способом включения обмотки возбуждения. В зависимости от этого различают электродвигатели:

а) с независимым возбуждением: обмотка возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока (возбудителя или выпрямителя); недостатком генератора с независимым возбуждением является необходимость иметь отдельный источник питания. Но при определенных условиях обмотку возбуждения можно питать током якоря генератора.

б) с параллельным возбуждением (шунтовый): обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря;

в) с последовательным возбуждением (сериесный): обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря; с увеличением нагрузки скорость двигателя резко падает; с уменьшением нагрузки на валу двигатель развивает очень большую частоту вращения. Говорят, что двигатель идет вразнос. Работа двигателя последовательного возбуждения без нагрузки недопустима.

г) со смешанным возбуждением (компаундный): он имеет две обмотки возбуждения, одна подключена параллельно обмотке якоря, а другая - последовательно с ней.

Для пуска электродвигателя могут быть применены три способа :

· прямой пуск;

· реостатный пуск;

· пуск путём изменения питающего напряжения.

Прямой пуск.

При прямом пуске обмотка якоря подключается непосредственно к сети. В электродвигателях постоянного тока падение напряжения I_яƩR_я во внутреннем сопротивлении цепи обмотки якоря при номинальном токе составляет 5-10% от U_ном, поэтому при прямом пуске I_я=(10-20) I_ном, что недопустимо для машины. По этой причине прямой пуск применяют только для двигателей очень малой мощности (до нескольких сотен ватт), в которых сопротивление ƩR_я относительно велико, и лишь в отдельных случаях – для двигателей мощностью в несколько киловатт.

Реостатный пуск.

Получил наибольшее применение. Для ограничения тока в цепь якоря включают пусковой реостат R_п. Он обычно имеет несколько ступеней (секций) R₁, R₂, R₃, которые в процессе пуска замыкают накоротко специальными выключателями (контакторами) 1, 2, 3. При этом сопротивление реостата постепенно уменьшается, что обеспечивает высокое значение пускового момента в течение всего времени разгона двигателя.

Реостатный пуск применяют на электровозах и электропоездах постоянного тока.

При приблизительной постоянной массе электропоезда выключение ступеней пускового реостата производят автоматически специальным реле ускорения (реле минимального тока). Реле срабатывает, когда пусковой ток уменьшается до порогового значения, тем самым обеспечивающее замыкание соответствующих контакторов.

На электровозах ступени пускового реостата выключаются по мере увеличения скорости движения поезда непосредственно самим машинистом при помощи ручного аппарата, называемого контроллером машиниста. На некоторых электровозах применяют автоматическое выключение ступеней пусковых реостатов с той или иной скоростью.

Пуск путём изменения питающего напряжения.

При реостатном пуске возникают довольно большие потери энергии в пусковом реостате. Этот недостаток можно устранить, если пускать двигатель путём плавного повышения напряжения, подаваемого на обмотку якоря. Такой пуск называют безреостатным. Для этого необходимо иметь отдельный источник постоянного тока с регулируемым напряжением (генератор или управляемый выпрямитель). Безреостатный пуск применяют на э.п.с. переменного тока и тепловозах.

Торможение электродвигателей постоянного тока.

Для торможения подвижного состава тяговые двигатели пере­водятся в генераторный режим, при котором они создают тормоз­ной момент. В зависимости от условий, при которых требуется осуществлять торможение, генератор может отдавать электрическую энергию в сеть или гасить ее в реостате. В первом случае торможе­ние называется рекуперативным, во втором — реостатным.

На э. п. с. применяют как рекуперативное, так и реостатное торможение. Рекуперативное торможение с энергетической точки зрения являет­ся наиболее выгодным, так как отданная в сеть электрическая энергия полезно используется другими электровозами или электро­поездами. На тепловозах применять рекуперативное торможение нельзя, так как отсутствует приемник электрической энергии. Рео­статное торможение может быть использовано, если оборудовать тепловозы реостатами для гашения электрической энергии.

Преимуществом электрического торможения является значитель­но меньшая склонность колес к заклиниванию (юзу) при больших значениях тормозной силы, чем при механическом торможении, и способность к самозащите колес от юза. В этом случае юз, как пра­вило, проявляется в форме частичного проскальзывания колес по рельсу без резкой потери сцепления, как это имеет место при меха­ническом торможении.

Рекуперативное торможение.

В режим рекуперативного торможе­ния можно перевести только электродвигатели с:

· независимым;

· па­раллельным;

· смешанным возбуждением.

В электродвигателе с неза­висимым (параллельным) возбуждением при уменьшении нагру­зочного момента М_ВН, например, при переходе локомотива с подъема на площадку, частота вращения якоря возрастает, при этом увели­чивается индуцированная в нем э. д. с., уменьшается ток и созда­ваемый двигателем электромагнитный момент. При М_вн. = 0 частота вращения возрастает до значения п₀ (частота вращения при холо­стом ходе).

Если пренебречь трением и внутренними потерями в машине, то при холостом ходе э. д. с. электродвигателя становится равной напряжению сети, а ток и развиваемый двигателем электромагнит­ный момент оказывается равным нулю. (В действительности при холостом ходе двигатель потребляет из сети некоторый ток, необ­ходимый для компенсации внутренних потерь мощности в машине.) При изменении направления нагрузочного момента (например, при переходе локомотива на спуск) частота вращения якоря становится больше п_0, э. д. с.— больше напряжения сети, ток и вращающий момент изменяют свое направление и машина переходит из двига­тельного режима в генераторный (рис. 5.21). При этом электро­магнитный момент направлен против вращения якоря, а выработан­ная генератором электрическая энергия отдается в сеть.

Рис. 5.21. Механическая характеристи­ка электродвигателя с независимым (параллельным) возбуждением в двига­тельном режиме и при рекуперативном торможении

Таким образом, двигатель с независимым (параллельным) воз­буждением при изменении направления М_вн, т. е. при возрастании частоты вращения более п₀, автоматически переходит в режим рекуперативного торможения.

Двигатель с последовательным возбуждением не может быть переведен в режим рекуперативного торможения, так как при умень­шении внешней нагрузки, т. е. вращающего момента двигателя, частота вращения возрастает и он идет вразнос. Следовательно, не представляется возможным изменить направление вращающего момента двигателя и перейти через промежуточный режим холостого хода, что необходимо для перевода его с двигательного в генератор­ный режим. Поэтому для осуществления рекуперативного торможе­ния обмотку возбуждения такого электродвигателя необходимо переключить на независимое питание от специального электрома­шинного или полупроводникового возбудителя. При таком переклю­чении электродвигатель начинает работать как генератор с незави­симым возбуждением.

Генераторы с независимым возбуждением работают вполне на­дежно и устойчиво. Однако они непригодны для рекуперативного торможения в условиях тяговых сетей, напряжение которых сильно изменяется. При неизбежных колебаниях напряжения в контактной сети ток такого генератора и создаваемый им тормозной момент очень резко изменяются, что не дает возможности обеспечить надеж­ное торможение поезда. Для того чтобы генератор был малочув­ствителен к колебаниям напряжения в контактной сети, необходимо питать обмотку возбуждения тягового двигателя в режиме рекуперативного торможения от воз­будителя со встречно-смешанным возбуждением или включить в цепь возбудителя так называемый стабилизирующий резистор. Благодаря этим мероприятиям ток, отдаваемый в контактную сеть тяговым двигателем, который работает в генераторном режиме, сохраняется примерно постоянным. Такими способами стабилизируют (поддер­живают постоянным) этот ток.

Рис. 5.22. Схемы включения тягового двигателя при рекуперативном торможении:

1 — якорь тягового двигателя; 2 — обмотка возбуждения; 3 — регулировочный реостат; 4.— обмотка независимого возбуждения возбудителя; 5 — якорь возбудителя; 6 — после­довательная обмотка возбуждения возбудителя; 7 — стабилизирующий резистор

При использовании возбудителя со встречно-смешанным возбуж­дением (рис. 5.22, а) уменьшение напряжения в контактной сети и возрастание в связи с этим тока рекуперации I_я, отдаваемого тяговым двигателем, работающим в генераторном режиме, вызовут размагничивание возбудителя и снижение его напряжения, а сле­довательно, и магнитного потока обмотки возбуждения двигателя. В результате этого э. д. с. тягового двигателя, работающего в гене­раторном режиме, будет снижаться и ток рекуперации не будет испы­тывать сильных колебаний. То же самое будет происходить и при увеличении напряжения в контактной сети.

При использовании стабилизирующего резистора его включают в цепь возбудителя так, что по нему, кроме тока возбуждения I_в, про­ходит и ток обмотки якоря I_я тягового двигателя, работающего в генераторном режиме (рис. 5.22.б). При уменьшении напряжения в контактной сети возрастут ток рекуперации I_я, отдаваемый тяго­вым двигателем, и падение напряжения ΔU в стабилизирующем резисторе 7. Так как падение напряжения ΔU в контуре «стабили­зирующий резистор — обмотка якоря возбудителя» действует против напряжения возбудителя U_B, его увеличение приведет к уменьшению тока I_в, поступающего в обмотку возбуждения тягового двигателя, и снижению создаваемой в нем э. д. с. В результате будет иметь место такой же стабилизирующий эффект, как и при возбудителе со встречно-смешанным возбуждением.

Применять рекуперативное торможение для остановки поезда нельзя. Получение от двигателя, работающего в генераторном режиме на контактную сеть, необходимой э. д. с. потребовало бы при низких частотах вращения очень сильного увеличения его магнитного потока и тока, отдаваемого возбудителем. Поэтому реку­перативное торможение может применяться только до некоторой минимальной частоты вращения п_тin.

Если электродвигатель в режиме рекуперативного торможения отдает энергию не непосредственно в сеть, а через какой-либо пре­образователь, то путем уменьшения напряжения, подаваемого от преобразователя на обмотку якоря двигателя, можно существенно уменьшитьп_min.

Реостатное торможение.

При реостатном торможении тяговые двигатели работают как генераторы с последовательным возбуж­дением и включаются на тормозные резисторы, в которых электри­ческая энергия, выработанная генератором во время торможения поезда, превращается в тепловую. В качестве тормозных резисто­ров используют обычно те же реостаты, что и при пуске двигателя. Реостатное торможение может применяться как при высоких, так и при низких частотах вращения, так как напряжение гене­ратора в этом случае не связано с напряжением сети и может быть установлено таким, какое необходимо для получения требу­емой тормозной силы. Для перехода на реостатное торможение двигателя с последовательным возбуждением необходимо отклю­чить его от контактной сети, переключить концы обмотки якоря или обмотки возбуждения двигателя и подключить к обмотке якоря резистор (рис. 5.23).

Как известно, при переходе машины из двигательного режима в генераторный ток I_я в обмотке якоря изменяет свое направ­ление. Если не переключить концы обмотки якоря или обмотки воз­буждения, то при изменении направления тока произошло бы размагничивание машины (исчезновение в ней остаточного магне­тизма) и она не смогла бы начать работать в качестве гене­ратора последовательного возбуждения. При переключении на­правление тока в обмотке возбуждения в генераторном режиме остается таким же, как и при двигательном, благодаря чему обе­спечивается самовозбуждение машины за счет остаточного маг­нетизма.

При уменьшении частоты вращения тягового двигателя в про­цессе реостатного торможения будет уменьшаться создаваемое им напряжение, а следовательно, ток I_Я и развиваемый им тормозной момент (тормозная сила). Чтобы поддержать тормозную силу на определенном уровне по мере уменьшения частоты вращения, необходимо постепенно уменьшать сопротивление тормозного рези­стора.

Применять реостатное торможение для остановки поезда нель­зя, так как при малых частотах вращения тягового двигателя, рабо­тающего в генераторном режиме, резко уменьшаются его э. д. с. Е, ток I_я и электромагнитный тормозной момент. Поэтому оконча­тельная остановка поезда производится в таких случаях механи­ческим тормозом.

Тяговые двигатели локомотивов и электропоездов при реостат­ном торможении включаются только параллельно. При включении двигателей последовательно суммарное их напряжение могло бы достичь больших значений, что недопустимо для нормальной ра­боты электрического оборудования. Однако параллельно включен­ные

Рис. 5.23. Схемы перехода из двигательного режима (а) в режим реостатного торможения с переключением обмотки возбуждения (б) или обмотки якоря (в)

генераторы с последовательным возбуждением не в состоянии работать устойчиво, т. е. поддерживать постоянство своих токов и э. д. с.

Например, если по какой-то причине увеличится ток I₁ (рис. 5.23, а) в одном из параллельно включенных тяговых дви­гателей, работающих в генераторном режиме, это вызовет уве­личение его э. д. с. Е₁. Одновременно уменьшатся ток I₂ и э. д. с. Е₂ второго двигателя. Этот процесс продолжается до тех пор, пока ток I₂ не упадет до нуля, после чего он изменит свое направ­ление. При этом изменится полярность второй машины и вместо параллельного включения двух генераторов образуется замкнутый контур, в который оба генератора будут включены последовательно без какого-либо внешнего сопротивления (рис. 5.23, б). Такое вклю­чение генераторов представляет собой, по сути дела, их короткое замыкание, поэтому по замкнутому контуру начнет проходить большой ток I_к.

Для получения устойчивой работы нескольких параллельно соединенных генераторов обмотки возбуждения их включают с перекрещиванием (рис. 5.23, в). В этом случае ток первого ге­нератора проходит через обмотку возбуждения второго генератора и наоборот. Поэтому всякое случайное возрастание тока в цепи одного из генераторов вызовет усиление магнитного потока, а следовательно, и э. д. с. во втором генераторе, что обеспечи­вает автоматическое выравнивание э. д.с. и токов этих генера­торов.

Контрольные вопросы

1. Назовите способы включения обмотки возбуждения.

2. Принцип работы электродвигателя с независимым возбуждением.

3. Принцип работы электродвигателя с последовательным возбуждением.

4. Принцип работы электродвигателя с параллельным возбуждением.

5. Принцип работы электродвигателя со смешанным возбуждением.

6. Назовите способы пуска электродвигателя.

7. Принцип прямого пуска электродвигателя.

8. Принцип реостатного пуска электродвигателя.

9. Принцип пуска электродвигателя путём изменения питающего напряжения.

Тема 6. Электрические машины переменного тока

Электрические машины переменного тока могут быть однофазными и многофазными. Наиболее широкое распространение нашли синхронные и асинхронные машины, а также коллекторные машины переменного тока. Принцип действия этих машин основан на использовании вращающегося магнитного поля.

6.1. Вращающееся магнитное поле

Вращающееся магнитное поле можно получить с помощью двух одинаковых катушек, питаемых переменным током, если их оси сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 90⁰, а также с помощью трех одинаковых катушек, оси которых сдвинуты в пространстве на угол 120⁰.

Рисунок 6.1. Схема пространственного расположения катушек на статоре двухполюсного асинхронного двигателя (а) и график изменения в них тока (б)

Рисунок 6.2. Упрощённые картины магнитных полей, созданных токами i₁, i₂ и i₃ в фазах обмотки статора двухполюсного двигателя в различные моменты времени

На рис.6.2. изображены картины магнитных полей, созданных переменными токами i₁, i₂ и i₃ в различные моменты времени всеми тремя катушками I, II и III. Предположим, что ток в любой катушке положительный, когда направлен от начала к её концу, и отрицательный, когда направлен от конца к началу.

Начала катушек обозначим А, В и С, а их концы – Х, Y и Z. Направления токов в сторонах катушки показаны точками и крестиками.

б) 60°

в) 120°

Продолжая рассматривать процесс прохождения токов i₁, i₂ и i₃ по катушкам обмотки статора машины и определяя направление созданного магнитного поля (рис 7.2. г, д, е), можно легко доказать, что в течение одного периода изменения тока магнитный поток машины, а следовательно, и находящийся в её поле магнит повернётся на один оборот.

Таким образом, при питании трёхфазным током трёх катушек, сдвинутых одна относительно другой на угол 120°, возникает магнитное поле, вращающееся в пространстве с постоянной частотой вращения n₁=60f₁, где f₁ – частота изменения питающего напряжения, которую называют синхронной.

Амплитуда результирующего потока, создаваемого всеми тремя катушками, в 1,5 раза больше максимального значения потока одной катушки. Полученное вращающееся магнитное поле имеет два полюса.

Укладка проводников каждой фазы в нескольких рядом расположенных пазах, укорочение шага обмотки и скоса пазов обеспечивает распределение магнитной индукции результирующего поля вдоль окружности статора и ротора по закону, близкому к синусоидальному.

Контрольные вопросы

1. Какие основные элементы конструкции электрической машины необходимы для получения вращающегося магнитного поля?

2. Как пойдёт ток в момент времени ωt=0°?

3. Как пойдёт ток при повороте катушек на 60°?

4. Как пойдёт ток при повороте катушек на 120°?

6.2. Принцип действия синхронной машины

Назначение.Синхронные машины используют в качестве генераторов и двигателей. Синхронные генераторы вырабатывают электрическую энергию трехфазного тока. Почти все генераторы переменного тока, устанавливаемые на больших и малых электрических станциях, являются синхронными. Мощность этих генераторов может быть самая различная, начиная от нескольких киловольт-ампер (на передвижных электростанциях) и кончая несколькими сотнями тысяч киловольт-ампер (на мощных центральных электростанциях). Синхронные двигатели используют, главным образом, для мощных электрических приводов.

Синхронные генераторы применяют на тепловозах с электрической передачей переменно-постоянного тока. На этих тепловозах напряжение, полученное от синхронного генератора, выпрямляется полупроводниковыми преобразователями и подается на тяговые двигатели постоянного тока.

Принцип действия.

На статоре 2 синхронной машины располагается трехфазная обмотка 1 (рис. 6.3,а), а на роторе 4 — полюсы (электромагниты) с обмоткой, питаемой постоянным током через контактные кольца 3 и щетки. Обмотка 5 полюсов, создающая магнитный поток возбуждения машины, называется обмоткой возбуждения.

Рис. 6.3. Электромагнитная схема синхронной машины (а), и схемы ее включения (б и в):

1—трехфазная обмотка статора; 2— ротор; 3— обмотка возбуждения; 4, 5 — обмотки якоря

Статор синхронной машины ничем не отличается от статора асинхронной машины; его обмотка имеет три (в двухполюсной машине), шесть (в четырехполюсной) или большее число катушек, сдвинутых одна относительно другой на соответствующие углы (120° или 60° и т. д.). При вращении ротора 4с некоторой частотой n поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуцирует в ее фазах переменную э. д. с. Е₁.

Благодаря тому, что обмотки трех фаз синхронного генератора сдвинуты в пространстве на угол 120°, индуцируемые в них э. д. с. будут сдвинуты одна относительно другой по фазе на 1/3 периода. Если к обмотке статора подключить какую-либо нагрузку, то протекающий по этой обмотке трехфазный ток создает вращающееся магнитное поле.

Ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. По этой причине рассматриваемая машина называется синхронной. В такой машине результирующий магнитный поток Ф_рез создается совместным действием магнитодвижущих сил обмотки возбуждения и обмотки статора и вращается в пространстве с той же частотой вращения, что и ротор.

В синхронной машине обмотка 1 (рис. 6.3,б), в которой индуцируется э. д. с. и протекает ток нагрузки, называется обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения, — индуктором. Следовательно, в машине, выполненной по схеме, показанной на рис. 6.3, статор является якорем, а ротор — индуктором. С точки зрения принципа действия и теории работы машины безразлично — вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной электромагнитной схемой: у них обмотка якоря, к которой подключается нагрузка, располагается на роторе, а обмотка возбуждения, питаемая постоянным током,— на статоре.

Обмотка якоря обычно имеет семь выводов: от начал А, В, С и концов X, Y, Z фаз и от нулевой точки 0. Это дает возможность соединять фазы и подключать к ним нагрузку по различным схемам: «звезда», «звезда с нулевым проводом» и «треугольник».

Таким образом, синхронная машина имеет следующие особенности:

· ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генераторном режимах, вращается с постоянной частотой вращения, равной частоте вращения вращающегося магнитного поля, т. е. n = n₁;

· в обмотке ротора э. д. с. не индуцируется, а магнитное поле создается постоянным током, подводимым от внешнего источника, или постоянными магнитами.

Синхронные генераторы тепловозов с электропередачей переменно-постоянного тока имеют две обмотки якоря 6 и 7(рис. 6.3, в), фазы которых OA и О’А’, ОВ и О’В’ и ОС и О’С’ сдвинуты на 30°. Выводы обмоток якоря подключены к полупроводниковому выпрямителю. В результате сдвига фаз обмоток якоря существенно уменьшается пульсация напряжения и тока на выходе выпрямителя, что улучшает работу тяговых двигателей постоянного тока.

Возбуждение синхронной машины.

В качестве источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения 1 синхронной машины может служить генератор постоянного тока 4 (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины (рис. 6.4, а), или полупроводниковый выпрямитель 5, присоединенный к обмотке якоря 2 (рис. 6.4,б). Питание обмотки возбуждения от полупроводникового выпрямителя все более широко применяется как в двигателях и генераторах небольшой и средней мощности, так и в мощных турбо- и гидрогенераторах. Регулирование тока возбуждения осуществляется вручную регулировочным реостатом 3, включенным в цепь обмотки возбуждения, или автоматически специальными регуляторами. Мощность, необходимая для возбуждения, составляет 0,3—3 % мощности синхронной машины.

Контрольные вопросы

1. Способы регулировки напряжения генератора?

2. Что происходит при холостом ходу генератора?

3. Назовите основные элементы конструкции электрической машины.

4. Как расположены обмотки статора при симметричной нагрузке?

5. Из чего состоит полюс генератора?

6. Что используют в качестве магнита в конструкции электрической машины?