А. Униполярная машина.
Идея униполярной, или бесколлекторной машины постоянного тока поясняется на рис. 11-7. Можно себе представить, что диск, вращающийся в магнитном поле магнита N—S, состоит из ряда секторов, один из которых показан на рисунке штриховой линией. Каждый такой сектор можно рассматривать как проводник, вершина которого находится на оси диска, а основание — на его периферии. Применяя правило правой ладони, находим, что в этом проводнике наводится э. д. с., имеющая все время одно направление — в нашем случае от оси диска к его периферии. То же можно повторить и относительно любого другого проводника, который при вращении диска придет на смену данному. Между щетками, установленными на валу и на периферии диска, появится постоянная по направлению разность потенциалов и возникнет постоянный ток, если замкнуть щетки на какую-нибудь внешнюю цепь.
Эта основная идея получила известное развитие в первом десятилетии текущего столетия в связи с попытками обойти коммутационные затруднения, становившиеся все более острыми по мере роста требований, предъявляемых к машине постоянного тока.
При конструировании униполярных генераторов большие затруднения возникают в связи с необходимостью снятия посредством скользящего контакта весьма больших токов при низких рабочих напряжениях. Эта задача решается сейчас путем применения контакта из жидкого металла (сода и поташ), циркулирующего между неподвижной и вращающейся частями токосъемного аппарата. В США построен униполярный генератор мощностью 10 000 кВт, 67 в, 150 000 а, 3600 об/мин.
В СССР была разработана в 1939 г. униполярная машина системы инженера Б. В. Костина, давшая при испытании генератора мощностью 7,5 кВт, 3 в, 2500 а, 4000 об/мин достаточно благоприятные результаты.
Рис. 11-8. Сварочный генератор завода «Электрик»
Рис. 11-7. Принцип униполярной машины
В настоящее время униполярная индукция используется также в разрабатываемых магнитогидродинамических (МГД) генераторах. В этих генераторах вместо движущегося проводника, в котором постоянным по направлению полем индуктируется э. д. с., используется поток раскаленных ионизированных газов — так называемая плазма.
Б. Сварочный генератор завода «Электрик».
Сварочные генераторы должны удовлетворять следующим основным требованиям: а) выдерживать режим короткого замыкания, которое имеет место при работе сварщика в момент замыкания электродов накоротко (например, в момент зажигания дуги); б) обеспечивать более или менее постоянную величину тока при переменном сопротивлении дуги (переменная длина дуги). Выполнение поставленных условий достигается тем, что внешняя характеристика сварочного генератора имеет сильно падающий характер. Для получения указанной характеристики используются сварочные генераторы различных типов. В СССР заводом «Электрик» освоено массовое производство сварочных генераторов с так называемой третьей щеткой.
Рис. 11-9. Внешние характеристики сварочного генератора завода «Электрик»
Принципиальная схема модернизированного сварочного генератора типа ПС-3000М показана на рис. 11-8. Номинальные данные генератора: Uн=35 в, n=1450 об/мин, I=260 а при продолжительности работы ПР=100% и I=340 а при ПР=65% (здесь за 100% принимается полное время работы, включая паузы). Якорь генератора выполняется обычным образом. Магнитная система состоит из четырех основных полюсов и двух добавочных. Основные полюсы N1-S1, несколько смещенные относительно вертикали и имеющие вырезы для увеличения их магнитного насыщения, называются главными, полюсы W2-S2, расположенные по горизонтали, называются поперечными. Обмотки возбуждения главных и поперечных полюсов включаются каждая параллельно между положительной щеткой и дополнительной щеткой Д таким образом, чтобы два рядом стоящих основных полюса — один главный и один поперечный — имели одну полярность.
Следовательно, машина является как бы двухполюсной, в которой каждый полюс расщеплен на две части. Регулирование тока возбуждения производится только в цепи обмотки возбуждения поперечных полюсов посредством реостата rрг. При нагрузке возникает н. с. реакции якоря, которая может быть разложена по осям главных и поперечных полюсов на составляющие: Fa1, намагничивающую главные полюсы, и Fa2, размагничивающую поперечные полюсы. Намагничивающее действие н. с. Fa1 мало сказывается на главных полюсах, так как они благодаря имеющимся в них вырезам сильно насыщены. Поэтому напряжение, приложенное к обмотке возбуждения и обусловленное преимущественно главными полюсами, мало изменяется с изменением нагрузки. Наоборот, при увеличении нагрузочного тока I н. с. Fa2 сильно размагничивает поперечные полюсы. Этим достигается необходимая для сварки падающая форма внешней характеристики рассматриваемого генератора (рис. 11-9). Пределы регулирования сварочного тока 80—400 а.
В. Возбудители для синхронных турбогенераторов.
Синхронные машины, и в частности синхронные турбогенераторы, возбуждаются постоянным током. Источником питания является возбудитель, который представляет собой генератор постоянного тока, имеющий ряд специальных характеристик. Якорь возбудителя располагают чаще всего на выступающем конце вала вращающейся части (ротора) турбогенератора, но в единицах очень большой мощности возбудитель выполняется в виде отдельной машины, сопрягаемой с ротором турбогенератора посредством муфты.
В обоих случаях возбудитель является высокоскоростной машиной, поскольку выполняемые в СССР турбогенераторы вращаются со скоростью 3000 об/мин. Такая машина, чувствительная к вибрациям, работает в тяжелых коммутационных условиях и нуждается в усиленной вентиляции. Возбудитель улучшенной конструкции с номинальными данными 300 кВт, 400 в, 750 а, 3000 об/мин был разработан на заводе «Электросила» для турбогенератора мощностью 100 000 кВт с водородным охлаждением. Возбудитель представляет собой четырехполюсную машину в закрытом исполнении и имеет добавочные полюсы и компенсационную обмотку. На якоре возбудителя уложена простая петлевая обмотка с уравнителями. Крепление лобовых частей обмотки осуществляется с помощью массивных бронзовых бандажей. Коллектор имеет значительную длину и крепится с помощью колец.
Возбудитель имеет независимое возбуждение от особого подвозбудителя мощностью 1,5/6 кВт, 115в, 13/52 а, причем верхние цифры соответствуют длительной работе возбудителя, нижние — переходным режимам его работы.
Вентиляция возбудителя, включая подвозбудитель, осуществляется по замкнутому циклу, для чего в фундаментной плите предусмотрены две камеры с воздухоохладителями.
Для устранения передачи вибраций возбудитель выполнен в виде отдельной машины на стояковых подшипниках скольжения и соединен с ротором турбогенератора с помощью эластичной муфты.
Продольный и поперечный разрезы описанного возбудителя показаны на рис. 11-10а и 11-10б. Основные расчетные данные возбудителя: Da=440 мм, lа=310 мм, DK=300 мм, lк=380 мм, размеры фундаментной плиты 2550 х 1200 мм, полная высота возбудителя, включая высоту плиты, 1480 мм.
Г. Электромашинный усилитель (ЭМУ) [136—144]. Электромашинный усилитель принадлежит к числу машин, в которых используется поперечная реакция якоря. В настоящее время ЭМУ широко применяется в самых различных системах электрифицированных приводов с непрерывным управлением. Такой усилитель выполняет роль автоматического непрерывно действующего регулятора одной или нескольких величин, определяющих работу электропривода: напряжения, тока, скорости вращения и т. д.
Принципиальная схема ЭМУ изображена на рис. 11-11. На коллектор обычного якоря машины постоянного тока наложены две пары щеток: щетки по продольной оси Д1—Д2 и щетки по поперечной оси Я3—Я4, замкнутые накоротко. На статоре расположены: а) две или в общем случае несколько обмоток управления У, одна из которых служит для создания потока возбуждения Ф1, а другая (или другие) включается в цепь, откуда мы хотим получить сигнал, воздействующий на работу усилителя; б) компенсационная обмотка КО, которая должна по возможности полно компенсировать н. с. якоря по продольной оси, создаваемую током I3; в) обмотка добавочных полюсов по продольной оси (по поперечной оси добавочных полюсов обычно не ставят); г) последовательная обмотка ПО, которую часто включают в короткозамкнутый контур и которая действует по поперечной оси.
Из конструктивных соображений статору ЭМУ придают специальную форму, как это для примера показано на рис. 11-12.
Таблица 11-6
Принцип работы ЭМУ состоит в следующем. Подведем к обмотке У1 небольшую мощность Р1=U1I1 и создадим поток Ф1. При вращении якоря в этом потоке в цепи короткозамкнутых щеток Я3—Я4 возникает небольшая э. д. с. Е2, которая тем не менее создает значительный ток I2, так как сопротивление этого контура весьма невелико. При определенных условиях ток I2 создает относительно большой поток Ф2, соответственно чему в цепи щеток Я1—Я2 возникает значительная э. д. с. Е2 и может протекать значительный по величине ток I3. Так как создаваемая им н. с. компенсируется н. с. обмотки КО, то результирующий поток возбуждения остается равным потоку Ф1 и, следовательно, не зависит от тока I3 и, стало быть, от отдаваемой генератором мощности.
Для обеспечения наибольшей эффективности работы ЭМУ он должен обладать следующими качествами: а) высоким коэффициентом усиления ky, б) малыми постоянными времени и в) достаточной устойчивостью работы.
Рис. 11-10a. Продольный разрез возбудителя турбогенератора
Рис. 11-10б. Поперечный разрез возбудителя турбогенератора
Рис. 11-12. Лист стали статора электромашинного усилителя
Д. Электромашинный регулятор (ЭР).
Для тех же целей автоматического управления производственными процессами был предложен электромашинный регулятор. По своему устройству он представляет собой обычную машину постоянного тока, имеющую несколько обмоток возбуждения. На рис. 11-18 показана его схема как регулятора скорости, действующего по принципу обратной э.д.с. Здесь Г — генератор, приводимый во вращение от трехфазного асинхронного двигателя; Д — двигатель постоянного тока, питаемый генератором Г; Р — электромашинный регулятор, сочлененный на одном валу с генератором (может быть приведен во вращение также небольшим отдельным Асинхронным двигателем) и включенный в схему моста; В1 и В2 — две параллельные ветви обмотки возбуждения генератора Г; Г и 1" — две параллельные ветви обмотки самовозбуждения электромашинного регулятора; 2 и 3 — обмотки управления. Обмотки возбуждения В1 и В2 генератора Г и обмотки 1' и 1" регулятора включены в плечи уравновешенного моста по схеме, показанной на рисунке.
Рис. 11-18. Электромашинный регулятор в системе ГД
Обмотка 2 включена на зажимы двигателя, причем ее н.с. F2 — Uд; обмотка 3 присоединена параллельно к сопротивлению R, и ее н.с. F3 — 1. При установившемся режиме работы н.с. F1 обмоток 1' и н.с. F3 направлены согласно, но встречно относительно F2, причем F1+F3=F2 Следовательно, результирующая н. с. регулятора равна нулю, соответственно чему практически равна нулю его э.д.с, так как магнитная система регулятора выполняется из специальной стали с минимальным остаточным магнетизмом (0,4% вместо обычных 2—3%) и минимальным гистерезисным эффектом. Теперь предположим, что мы изменили, например уменьшили, сопротивление Rn; н.с. F1 возрастет, и в цепи якоря регулятора появится некоторая первоначальная э.д.с., под действием которой начнется его самовозбуждение. Таким образом, небольшой первичный импульс вызывает значительное изменение тока возбуждения генератора Г и соответственно скорости вращения двигателя Д. Если же при заданном сопротивлении Rп изменится, например увеличится, тормозящий момент двигателя, то ток I будет стремиться возрасти, а скорость n — уменьшиться; но при этом увеличится н. с. F3, а это приведет к такому увеличению тока возбуждения и э.д.с. генератора Г, при котором скорость останется без изменения.
Электромашинный регулятор выполняется на мощности до 1 кВт, в системе ГД он позволяет регулировать скорость двигателя в пределах до 1 120 и в ряде случаев с успехом конкурирует с электромашинным усилителем.
Ж. Машины постоянного тока с постоянными магнитами.
В начале 30-х годов текущего столетия были найдены для постоянных магнитов новые материалы, обладающие хорошими магнитными свойствами и представляющие собой сплавы железа с другими металлами. Наибольший практический интерес имеет алюминиевоникелевая сталь, т. е. сплав железа с алюминием (11—16%) и никелем (18—24%). По сравнению с прежними материалами — хромовой и вольфрамовой сталью — алюминиевоникелевая сталь имеет примерно в 10 раз большую коэрцитивную силу и в 9—10 раз превосходит их по магнитной энергии.
Постоянные магниты отличаются от электромагнитов своей низкой магнитной проницаемостью. Так, например, для алюминиевоникелевой стали μ=8-10, тогда как для электромагнитов величина μ в несколько сотен раз больше.
Работу генератора с постоянными магнитами можно уподобить работе генератора с независимым возбуждением при ίн=const. Но при этом не следует упускать из виду, что машины с постоянными магнитами при определенных условиях могут частично потерять свой магнетизм под действием реакции якоря.
Машины постоянного тока с постоянными магнитами выполняются практически только как машины весьма малой мощности, например тахогенераторы. Но произведенные исследования показали, что можно рационально выполнить машину постоянного тока с постоянными магнитами мощностью в несколько киловатт.
З. Самолетные электрические машины.
Первой электрической машиной, предложенной в 1869 г. для применения на самолете, был электродвигатель мощностью 300 л. с., разработанный А. Н. Лодыгиным. От этого электродвигателя предполагалось приводить во вращение винты самолета. Перед первой мировой войной Лодыгин разработал новый, более совершенный проект, в котором питание электродвигателей должно было осуществляться от генератора, приводимого во вращение двигателем внутреннего сгорания. Такой тип привода самолетного генератора в дальнейшем нашел практическое применение на самолетах; первая установка была выполнена в 1934 г. Выбор системы электроснабжения постоянного тока был. окончательно сделан в 1919—1920 гг., поскольку решено было отказаться от искровых радиопередатчиков, требовавших применения переменного тока с частотой порядка 1000 Гц. Первые самолетные генераторы постоянного тока мощностью 200—300 вт имели напряжение 8 а, а затем 12 в. Эти машины изготовлялись в Ленинграде на заводе имени Козицкого.
По мере того как возрастали дальности и высоты полета, увеличивались размеры самолета. Это потребовало также значительного роста мощности генератора. Поскольку один генератор не мог обеспечить в этих условиях надежной работы самолета, возникла необходимость параллельного включения нескольких генераторов. Решение этой проблемы представляло значительные трудности, так как генераторы работают с переменной скоростью вращения от авиамоторов. В результате проведенных исследований была разработана схема автоматического регулирования напряжения генератора.
Широкое осуществление электрификации самолетов началось в 1939 г., когда впервые были применены электромеханизмы для дистанционного управления шасси, стабилизатора, радиаторов, питаемые от генераторов постоянного тока.
В связи с ростом мощности и количества потребителей электрической энергии на самолете единичная мощность самолетных генераторов увеличилась до многих десятков киловатт и имеет тенденцию к дальнейшему росту. Напряжение генераторов возросло в несколько раз и достигает 120 в и выше. В современных самолетах широко используются электродвигатели постоянного тока в виде электростартеров, а также большое число электромашинных преобразователей, предназначенных в основном для получения переменного тока. Электрическая система современного самолета представляет собой сложный комплекс, состоящий из значительного числа разнообразных электрических машин. По принципу действия самолетные генераторы не отличаются от стационарных генераторов. Можно использовать генераторы как постоянного тока, так и переменного. Хотя до последнего времени наибольшее распространение имели генераторы постоянного тока с параллельным или смешанным возбуждением, но все большее внимание привлекает возможность использования генераторов с независимым возбуждением. Скорость вращения генератора изменяется в пределах 6000— 10 000 об/мин в соответствии с режимом работы авиационного мотора, от которого обычно генератор приводится непосредственно во вращение. За последнее время пределы скорости вращения еще более возросли и достигают 18 000— 20 000 об/мин. В самолетах, кроме нормальных конструкций генераторов постоянного тока, применяют также трехщеточный тип, в котором обмотка возбуждения включается между главной и вспомогательной (третьей) щетками. Эти генераторы выполняются на малые мощности, с низким напряжением и работают параллельно с аккумуляторными батареями.
В последнее время широкое применение на самолетах получили электро- машинные усилители.
В основу расчета и конструкции самолетных генераторов и двигателей должны быть положены специфические требования. Особо важна высокая надежность и безотказность в работе машин, так как от этого зависит безопасность полета. Кроме того, машины должны иметь минимальный вес и габариты, их работа не должна зависеть от положения самолета в пространстве, скорости и ускорения в полете. Весьма существенно, чтобы не возникало мешающего воздействия на работу электрических машин и других элементов электрооборудования, осуществлялся быстрый пуск их в ход и быстрое затухание переходных процессов. Вопросы расчета, конструирования и эксплуатации самолетных электрических машин более подробно рассмотрены в книге проф. Д. А. Завалишина «Самолетные электрические машины» (ЛИАП, 1956).
В заключение следует указать, что переход к сверхзвуковым скоростям полета и резкому увеличению мощности авиамоторов вновь поставил вопрос о конкурентоспособности генераторов переменного тока для самолетов. По-видимому, применение системы переменного тока окажется для самолетов более целесообразным, чем системы постоянного тока.
