Скачать книгу из которой взят данный материал

пластины и секции непрерывно сменяются другими (полностью подобными). Поэтому напряжение на щетках и ток в них являются постоянными. В то же время в секциях ОЯ магнитное поле периодически меняется, поэтому напряжение и ток в секции переменные. Если машина работает как генератор, то коллектор является механическим выпрямителем, преобразующим переменный ток ОЯ в постоянный ток внешней цепи. В режиме двигателя коллектор выполняет роль механического инвертора, преобразующего подводимый извне постоянный ток в переменный ток ОЯ. Создание коллектора в 60. .70 годах XIX в. было большим достижением    инженерной

мысли и определило более чем на столетие структуру конструкции машин постоянного тока. Ясно, однако, что коллектор был и остается одним из наиболее сложных узлов электрической машины, обладающим пониженной надежностью и существенно ограничивающим области использования электрических машин    постоянного

тока.

В некоторых случаях, когда для коллекторных машин искусственно созданы благоприятные условия, они могут успешно применяться в специальных уникальных механизмах. Так, например, известный советский луноход имел ходовую часть на основе автономных мотор-колес с герметизированными отсеками, в которых размещались приводные коллекторные двигатели, питаемые от солнечных батарей. Однако подобные примеры не влияют на общее развитие перспективных направлений электромашиностроения, связанных с переходом к БЭМ.

В настоящее время вследствие интенсивного развития полупроводниковой техники имеются благоприятные возможности замены коллектора полупроводниковыми преобразователями Благодаря этому появился, быстро совершенствуется и внедряется в практику новый класс электромеханических преобразователей — бесконтактных электрических машин постоянного тока, представляющих органическое объединение собственно электрической машины и электронного полупроводникового преобразователя. В бесконтактных генераторах постоянного тока — вентильных генераторах (ВГ)—преобразователем является полупроводниковый выпрямитель, который может быть реализован на базе как неуправляемых, так и управляемых вентилей. В бесконтактных вентильных двигателях постоянного тока (ВДПТ) преобразователем является полупроводниковый инвертор на базе управляемых полупроводниковых элементов.

Есть все основания ожидать, что БЭМ с полупроводниковыми коммутаторами будут быстро совершенствоваться и постепенно вытеснять из практики коллекторные машины.

Рис. 5.2. Вольт-амперн&е характеристики диода (а), транзистора (б), тиристора (в)

Вентильные машины постоянного тока не только становятся конкурентоспособными по отношению к коллекторным машинам, но и могут использоваться в условиях, вообще исключающих применение коллекторных машин (при низком давлении, в присутствии химически активных и агрессивных сред, в высокоскоростных установках с газовыми или магнитными подшипниками и т. п.).

Полупроводниковые элементы составляют существенную часть БЭМ постоянного тока и в значительной степени определяют прогресс в их развитии.

В неуправляемых полупроводниковых преобразователях используются кремниевые диоды, содержащие один р-я-переход и два электрода — анод и катод. Из вольт-амперной характеристики диода (рис. 5.2, а) следует, что он проводит ток при прямой полярности приложенного напряжения (анод А — положительный, катод К — отрицательный) и практически заперт при допустимом обратном напряжении. В настоящее время выпускаются диоды на токи до нескольких килоампер при обратных напряжениях 1)₀бр до нескольких киловольт. Диоды допускают значительные перегрузки по току (~ 10 ..100-кратные в течение 0,01 с).

В управляемых полупроводниковых преобразователях небольшой мощности (до нескольких киловатт) применяют транзисторы, содержащие два р-п-перехода и три электрода — эмиттер, коллектор и базу. Вольт-амперная характеристика транзистора показана на рис. 5.2, б. Подавая напряжение на базу Б транзистора и меняя ток базы /_э , можно резко увеличивать его коллекторный ток /_к при заданном прямом напряжении и к э между коллектором К и эмиттером Э. Таким образом, практически можно включать или отключать транзистор в произвольные моменты времени, подавая и снимая потенциал с его базы, поэтому транзистор является полностью управляемым полупроводниковым прибором. Транзисторы обладают малой перегрузочной способностью. В нашей стране выпускаются транзисторы на токи до нескольких десятков ампер и напряжения икэ ДО сотен вольт. Осваиваются транзисторы на токи до сотен ампер. Работа транзисторов при обратных напряжениях икб нерациональна, так как они имеют большие обратные токи.

При значительных мощностях управляемого полупроводникового преобразователя в нем используются тиристоры, содержащие три р-я-перехода и три электрода (анод А, катод К и управляющий электрод УЭ). Вольт-амперная характеристика тиристора показана на рис. 5.2, в. При прямом приложенном напряжении на тиристоре и создании в нужный момент времени достаточного тока через управляющий электрод /у напряжение включения и_вкл тиристора становится малым и он включается, пропуская рабочий ток в прямом направлении. В отличие от транзистора тиристор не полностью, а лишь частично управляемый прибор, поскольку его отключение не может осуществляться в произвольный момент времени с помощью управляющего электрода. Для отключения тиристора необходимо создать паузу рабочего тока (10...30 мкс). Созданию такой паузы способствуют естественные процессы в цепях переменного тока, когда рабочий ток периодически падает до нуля. Если же тиристор требуется отключить при наличии тока в рабочей цепи, то приходится обеспечивать его коммутацию за счет дополнительных схемных элементов, создающих в нем паузу тока.

Отечественная промышленность выпускает тиристоры до нескольких килоампер при (7₀бр до нескольких киловольт. Тиристоры допускают значительные перегрузки по току. Успешно осваивается выпуск симметричных тиристоров — симисторов, обладающих симметричными вольт-амперными характеристиками при изменении полярности приложенного напряжения.

Общей особенностью БЭМ постоянного тока является то, что они могут не удовлетворять принципу обратимости электромеханических преобразователей, согласно которому любая машина допускает работу как в режиме генератора, так и двигателя. Это связано с электрической несимметрией цепей полупроводникового преобразователя, проявляющейся в однонаправленном протекании тока. Например, вентильный генератор на неуправляемых диодах не может работать в режиме двигателя, предполагающем изменение направления тока в цепи ОЯ. В то же время при использовании управляемых вентилей машина может работать как генератором, так и двигателем, т. е. принцип обратимости выполняется.

Органическое объединение электрической машины и полупроводникового преобразователя приводит к специфическим особенностям рабочих процессов и характеристик БЭМ постоянного тока, рассмотрению которых и посвящена настоящая глава.

§ 5.2. Рабочие процессы в вентильных генераторах

Процессы в вентильных генераторах (ВГ) зависят от их структуры, коммутации вентилей и реакции якоря.

Структура ВГ. Вентильный генератор состоит из бесконтактного генератора (БГ) и объединенного с ним полупроводникового выпрямителя (ПВ). Типы БГ и ПВ должны быть

согласованы. Если в качестве БГ применяется генератор с постоянными магнитами (см. гл. 2), то рационально использовать управляемый ПВ, обеспечивающий регулирование и стабилизацию выходного напряжения. Схема управления подобного ПВ

должна Предусматривать р_ис# 53 Схема трехфазного выпрямителя с также быстрый и надеж- нулевым выводом (а) и мостового типа (б) ный сброс выходного напряжения генератора при коротких замыканиях, поскольку магнитный поток генератора в отличие от БГ с обмотками возбуждения не может быть резко снижен.

При использовании в качестве БГ одного из генераторов с обмотками возбуждения ПВ может быть неуправляемым и управляемым. В первом случае ПВ прост и надежен, а напряжение регулируется изменением тока в обмотке возбуждения генератора. В аварийных режимах этот ток сбрасывается до нуля (гашение поля). Недостатком регулирования напряжения только с помощью тока возбуждения является его невысокое быстродействие из-за больших электромагнитных постоянных времени цепи возбуждения. Во втором случае, когда используются управляемые ПВ, напряжение может регулироваться как током возбуждения, так и управлением ПВ, что придает схеме регулирования гибкость и быстродействие, однако ПВ становится более сложным.

Основная специфика ВГ связана с наличием в нем ПВ, поэтому рассмотрим вначале особенности работы ПВ.

Процессы коммутации. Внешние характеристики ПВ и ВГ. Обычно бесконтактный генератор выполняется многофазным. Для выпрямления тока применяют многофазные ПВ с нулевым выводом или мостовые ПВ на диодах или тиристорах.

Рассмотрим работу наиболее типичных для ВГ трехфазных выпрямителей с нулевым выводом (рис. 5.3, а) и мостового типа (рис. 5.3, б).

Пусть ПВ, подключенный к синхронному генератору, работает на активно-индуктивную нагрузку, при которой выпрямленный ток можно считать сглаженным и непрерывным (7<¹ = const), что обычно обеспечивается на практике, а вентили ПВ являются управляемыми, т. е. позволяют осуществлять задержку их включения по сравнению с моментом подачи на них прямого напряжения.

Рис. 5.4. Временные диаграммы фазных напряжений и токов для выпрямителя с нулевым выводом при мгновенной коммутации вентилей (а) и при конечном времени коммутации (б)

В схеме с нулевым выводом будем считать, что активное сопротивление якорной обмотки равно нулю. Тогда на выходе явнополюсного генератора, согласно (1.4), действует напряжение* и = Ё₀—)Ха1с1—1Хд1_д или и = Ё₀—]Х_а1 для неявнополюсного генератора. Временные диаграммы фазных напряжений (и_А, ив, и_с) и токов (и,    1с)    приведены    на    рис.    5.4,    а.    При отсутствии регу

лирования вентили переключаются в точках пересечения кривых фазных напряжений и_А{о>0> Ив(ю£), ^ис{©О —включается тот вентиль, у которого на аноде положительный потенциал больше, чем у других вентилей, находящихся в отключенном состоянии. Например, в точке а включается вентиль 1 (см. рис. 5.3, а) и отключается го ВГ с нулевой точкой. Поэтому в автономных высокоиспользо-ванных установках предпочтительнее первая схема.

6. Коэффициент тока ki меняется относительно слабо и тем меньше, чем меньше т (см. рис. 5.17). Это следует и из (5.56). Для трехфазного ВГ с мостовым ПВ его типичные значения 0,77... 0,8. При проведении приближенных расчетов можно считать ki = const и определять его значение по (5.56), например, для характерных значений у»0,5 рад.

iJfjL

М3-

Рис. 5.18. Различные схемы выпрямителей для вентильных генераторов

7. Если принять ki = const, то решение системы (5.53) ...(5.58) существенно упрощается и сводится к совместному решению (5.53) и уравнения

cosa —j 1^/2 sin —kfl

(5.59)

/ \    М,    ) J I

вытекающего из (5.54) и (5.55).

В частности, задаваясь значениями Х_к и 7 для номинального режима, из (5.53) и (5.59) легко найти О и ф по точке пересечения кривой £7=Мф), согласно (5.53), и кривой <р = /₂(0), согласно (5.59), причем зависимости 0(ф) и ф(О) слабые. В координатах ф и О первая кривая весьма пологая, а вторая — крутопадающая, поэтому достаточно рассчитать 2 ... 3 точки каждой зависимости и простым построением найти точку пересечения с достаточной точностью. Подобные расчеты легко проводятся с помощью простейшего микрокалькулятора.

§ 5.4. Схемы полупроводниковых выпрямителей для вентильных генераторов и сглаживающий дроссель

Кроме схем ПВ, изображенных на рис. 5.3, в ВГ применяется шестифазная схема с нулевым выводом (рис. 5.18,а), а также сдвоенные мостовые схемы — последовательная (рис. 5.18,6) и параллельная (рис. 5.18,в), когда в генераторе имеется две трех-

В мощных ВГ с большими значениями 1а и [/<* применяется групповое включение вентилей. Если рабочий выпрямленный ток Ы больше среднего тока т1у, то необходимо иметь п^1а11_ут параллельных ветвей в ПВ. В каждой ветви может включаться последовательно несколько вентилей. Из-за различий в вольт-ам-перных характеристиках вентилей распределение тока и напряжения между ними может быть существенно неоднородным. Для выравнивания нагрузок вентилей используют специальные шунтирующие цепи с резисторами, стабилитронами или индуктивными делителями (с магнитной связью или без нее).

Сглаживающий дроссель для В Г. Как следует из рис. 5.4, 5.5, выпрямленное напряжение иа('д) на выходе ПВ неоднородное и содержит заметные высшие гармоники. Порядок основной гармоники пульсаций по отношению к первой гармонике рабочего напряжения переменного тока можно оценить как v = m для п_х =

= 1 (однополупериодные схемы) и v = 2т для п_п = 2 (двухполупериодные схемы), для основной гармоники

Ч, = и,ш _aJU_d = 2Vl + '>²tg*a_l^-\).

Для сглаживания пульсаций напряжения в ВГ часто применяется простой индуктивный фильтр в виде дросселя с индуктивностью Е_д. Если перед дросселем = а за ним задано допустимое значение ц^г, коэффициент сглаживания пульсаций 5 = 9/9' непосредственно определяет Е_д. Действительно, пульсации от \7-Й гармоники тока /_У перед дросселем (со стороны ВГ) составляют

Д^ = /, //?²„ + ^£_д)2,    а за дросселем (на нагрузке) Аи\ =

=1Мн. Поэтому s =    =    +    Пред

полагается, ЧТО индуктивное сопротивление дросселя V(oLд заметно превышает его внутреннее активное сопротивление и сопротивление нагрузки Ян = иа11а. С учетом записанных соотношений получим

I _д = $£/ _й/(2 я/у/_а).    (5.61)

С другой стороны, Е_д определяется типом конструкции дросселя и его параметрами. Пусть, например, применяется дроссель с однофазным броневым сердечником, имеющим прямоугольное сечение центрального стержня а_дХЬ_д и размеры окна с катушкой СдХ/г_д (рис. 5.19). Горизонтальные ярма имеют сечение 0,5 а_д>(Ьд, боковые вертикальные ярма — 0,5 а_дХЬд/&од, где &_ад —

209

1

В дальнейшем следует различать обозначения выпрямленного тока 1а и продольного тока якоря /а.