> Техника, страница 95 > Вентильный двигатель

Вентильный двигатель

Вентильный двигатель, электрич. двигатель, в отдельной части обмотки которого ток проходит через ионный преобразователь (смотрите)—вентиль поочередно и синхронно с вращающейся частью (фигура 1). К концам U и V вторичной обмотки однофазного трансформатора (смотрите Электрический трансформатор) присоединены нулевые точки двух шестифазных звезд и II обмотки статора,

отдельные лучи которых дальше соединяются с анодами А вентилей — в технике сильных токов с анодами ртутных выпрямителей (смотрите)·. На фигуре 1

выпрямитель. Важно лишь, чтобы число анодов было равно общему числу фаз обмотки статора. Все электрически непосредственно связанные катоды дальше присоединяются через сглаживающую, катушку L к средней точке О вторичной обмотки трансформатора. Обмотка возбуждения в роторе питается постоянным током от постороннего источника (независимое возбуждение) или выпрямленным током последовательно со сглаживающей катушкой (последовательное возбуждение). Подобным же образом получается схема питания от трехфазной сети. Поочередное прохождение положительной полуволны тока по отдельным фазам обмотки статора достигается при помощи окружающих аноды металлич. сеток С_у на которые всегда наложен отрицательный по отношению к катоду Нд потенциал от вспомогательного источника, и лишь в тот момент, когда ток должен проходить через данный анод, на сетку накладывают положительный потенциал (смотрите Ионный преобразователь). При этом раз возникший ток уже нельзя запереть до тех пор, пока сумма всех напряжений (включая и реактивные напряжения индуктивностей) в контуре данного анода не сделается равной нулю, то есть в течение времени порядка одного полу-

Фигура 2*

периода сети или части этого полупериода. Подача на сетки положительного, отпирающего вентили потенциала должна происходить не только синхронно с вращающейся частью В. д.,

чтобы все время поддерживался определенный электромагнитный момент вращения, но также и синхронно с напряжением сети. Последнее обстоятельство позволяет регулировать момент начала прохождения тока через данный анод по отношению к положительной полуволне синусоиды внешнего напряжения, то есть регулировать фазовый угол а зажигания данного анбда. На фигуре 2 показаны кривые тока в одной фазе при разных углах [зажигания в нек-ром теоретическом случае, когда индуктивность в контуре этой фазы равна нулю и двигатель еще неподвижен. Как видно из фигура 2, среднее значение тока находится в зависимости от угла зажигания и м. б. получено в пределах от 0 (α= 180°) до полного значения (α= 0°).

Для описанной выше двоякого рода синхронной подачи положительного потенциала на сетки анодов необходимы два коммутатора (фиг, 3). Так как в статоре В. д. имеются две

звезды обмотки, работающие от положительных полуволн двух половин вторичной обмотки трансформатора, то эти коммутаторы должен быть в двойном комплекте. Коммутатор сети К_с имеет лишь один металлический сегмент, который при вращении коммутатора вспомогательным синхронно-реактивным моторчиком М замыкает две неподвижные щетки 1 и 2; щетка 1 присоединена к положительному полюсу вспомогательного источника постоянного тока (батарея), а через щетку 2 — положительный потенциал подается далее к коммутатору двигателя К_д. Последний имеет уже шесть сегментов по числу фаз каждой звезды обмотки статора. По мере поворота ротора вращающийся контакт, сцепленный с валом ротора, подает положительный потенциал на сетку анода соответствующей фазы обмотки статора. Рукоятки к коммутаторов позволяют изменять момент подачи положительного потенциала. на сетки анодов по отношению к синусоиде внешнего напряжения и по отношению к положению оси магнитного поля ротора и т. о., с одной стороны, менять среднее значение тока, а с другой, — пространственный угол между ампервитками статора и ротора.

Электрич. схемы подачи положительного потенциала на сетки м. б. двоякого рода: а) схема фигура 4: батарея аккумуляторов Б_х все время держит на сетках отрицательный потенциал, а батарея Б₂в момент включения рубильника S изменяет этот потенциал на положительный, R_x и R₂— добавочные сопротивления; б) схема фигура 5: подача положительного потенциала совершает

ся индуктивно через трансформатор Т, который включается через коммутатор сети и понизительный трансформатор на напряжение сети. В последней схеме возможно также применение источника повышенной частоты, а также вибрационного механич. выпрямителя. Вместо рукоятки к (фигура 3) для коммутирования сети м. б. применен фазорегулятор Р (фигура 5). Очень важ-

Фигура 5.

но для четкости работы В. д._} чтобы подача потенциала происходила крутым фронтом по времени. Исследования показывают, что надежные результаты в этом отношении получаются лишь по схеме фигура 4. Во всех других случаях возникают задерживающие эффекты, ухудшающие условия работы фаз обмотки двигателя. Когда ротор начнет вращаться, то в фазах обмотки статора будет наводиться напряжение, которое является противоэдс В. д. На фигуре 6 по-

Фигура 6

казано взаимное расположение кривых внешнего напряжения и частоты сети и противоэдс е частоты вращения. В этом случае среднее значение тока будет равно

_(^{и е})ср·

¹ср. _ΣΕ

Действительно, в каждый момент времени и=e + ir + Lj_t.

Отсюда

jirdt + L J di= j(u — e) dt. Разделив последнее ур-ие на г, получим

J(u — e) dt

S^irdt, LI t ⁺ t

Для установившегося режима t достаточно велико, поэтому ы

-о,

вследствие чего

(и в)ср. г

Момент вращения В. д. определяется, как и во всех других электрич. машинах, поперечной слагающей ампервитков реакции якоря по ур-ию

ei cos ^=9,81 · Μ · ω_{βρ >}где е=2π · w · k_w · Ф · ΙΟ⁸ · sin cot вольт; (1)

Фигура 7.

i в случае большой индуктивности сглаживающей катушки равно 1_ср#, ψ—угол между поперечной осью полюсов и осью той фазы статора, где в данный момент течет ток (фигура 7, аb —ось ам-первитков статора). В ур-ии (1) 2тг=ω — угловая частота вращения; w — число витков одной фазы; Ф — результирующий магнитный поток. Т. к. согласно предыдущему ток коммутируется из одной фазы в другую лишь по истечении времени, равного ^х/₆части периода вращения ротора, то угол φ будет периодически меняться по закону ломаной прямой от некоторого начального у>₀₎ зависящего от начала зажигания дай^ ной фазы, до ψ₀ — 60°. Чтобы среднее значение момента вращения при тех же Е и было наибольшим, надо угол ψ₀ делать равным 30°, то есть область работы каждой фазы орать в пределах заштрихованной площади (фиг 8), что и достигается соответствующей установкой рукоятки к коммутатора двигателя. Изменяя угол ψ₀, мы очевидно увеличим среднее значение тока. Изменение до нек-рого предела угла ψ₀ вызывает поэтому возрастание момента вращения, и В. д. получает большее число оборотов. Явления протекают подобно тому, как в двигателях постоянного тока при сдвиге щеток из нейтрали. Сдвигая рукоятку к коммутатора В. д. на 180 электрич. градусов, мы очевидно в состоянии осуществить реверсирование В. д. Если же при таком сдвинутом положении рукоятки к коммутатора направление вращения В. д. оставить прежним, то возможна рекуперация энергии в сеть, то есть двигатель станет работать в качестве генератора. Действительно, рассматривая фигура 9, мы видим,

что в противоположность моторному режиму здесь ток, имея то же направление по отношению к аноду, течет в сторону действия противоэдс В. д. и противоположен ^Фиг* ⁹* напряжению сети.

Естественно, что для этого необходимо, чтобы по величине е было больше и. Регулирование тормозного (генераторного) момента возможно как изменением противоэдс В. д., так и изменением угла зажигания сети. Из предыдущего вытекает возможность построения характеристики числа оборотов двигателя в зависимости от тока нагрузки. Естественно, что для такого количественного исследования необходимо учесть· действие реакции якоря (смотрите). Задаваясь при данном напряжении сети противоэдс В. д. от результирующего потока, а также углами ψ₀ и а (смотрите выше), находим вначале 1_ср. из ур-ия т _ (и^,б)ср.

^СР ~~ Σϋ ‘

Далее строим диаграмму ампервитков возбуждения и реакции якоря (смотрите Генераторы переменного тока) для среднего значения ψ, находим

Фигура 10.

ампервитки результирующего потока и далее по характеристике холостого хода находим, какому числу оборотов соответствует принятая вначале противоэдс от результирующего потока.

Выше было предположено, что при большой внешней индуктивности ток коммутируется из одной фазы .в другую мгновенно, без каких-либо дополнительных обстоятельств. Однако в действительности необходимо считаться с самоиндукцией коммутируемых фаз обмотки статора. Эта самоиндукция задерживает некоторое время ток в предыдущей фазе, и соответствующие аноды ртутного выпрямителя замыкаются почти накоротко через две дуги и катод (фигура 10). Явления происходят подобно тому, как это имеет место в обычных коллекторных машинах (смотрите), с тем лишь однако отличием, что в образовавшемся короткозамкнутом контуре фаз тока короткое замыкание развиться здесь не может, т. к. этот ток не может проходить от катода к какому-либо из анодов. Тем не менее может получиться задержка в потухании предшествующей фазы и возникновение тормозных паразитных моментов, вращения с последующим коротким замыканием от сети, в особенности при больших скоростях вращения. Для получения четкой коммутации фаз необходимо, чтобы к моменту коммутации мгновенное значение противоэдс в предшествующей η-й фазе было больше, чем в последующей (η + 1) на величину реактивного напряжения в обеих фазах —2L_s где L_b — L — М

равно индуктивности каждой фазы, уменьшенной на величину взаимоиндукции между ними. Иными словами, должен быть:

E„-E_n+1>-2L_sf_t.

Это достигается тем, что изменяют угол ψ₀, на нек-рый угол β так, чтобы коммутация п-й фазы на (п 4- 1) происходила не позднее момента пересечения кривых (фигура 11).

Как видно из изложенного, В. д. допускает безреостатный пуск в ход, плавное и в широких пределах регулирование скорости вращения без дополнительных агрегатов и не нуждается в коллекторе — дорогой и сложной в производстве и эксплоата-ции части электрической машины. Всю аппаратуру управления В. д. включает в себя ртутный выпрямитель, причем управление легко можно автоматизировать. С точки зрения указанных обстоятельств этот электрич. двигатель является совершенной машиной. Крупным недостатком его пока является плохое использование меди статора, малый коэф. мощности и в связи с этим невысокий кпд. Действительно, каждые две фазы обмотки статора находятся под током лишь ^х/₆ часть периода вращения в пределах ψ₀ до — 60°· Коэф. мощности в общем виде равен отношению среднего значения

Фигура 11.

мощности к произведению средних квадратичных значений силы тока и напряжения:

2π

ег dt

е2 dt

Если, принять ток i постоянным и равным 1_срли учесть, что фазы горят попарно, то получим

2 π

У₀+60^э

χ· ir J V · E_m sin γ άγ=о r₀

= ^Emlcp. [COS -/* - cos (y₀ + 60°)],

где γ_α=90 — vv.

i Г Г" ^{72 1} Г 2 Л ^Е»«

&гJ «^г= тт; ггj ^е3 *= т·

0 0

Таким образом коэф. мощности двигателя

^=S t^cos - ^C0S (Уо + ⁶⁰°)]^;

при γ₀=60° К=0,4. Отсюда вытекает, что при заданных в зависимости от нагрева потерях мы в состоянии нагрузить двигатель лишь на 1

мощность, в раз меньшую, и следовательно кпд уменьшится. Действительно, еслп налр. при коэф-те мощности К — 1 кпд р

Р + ±Р~П ⁹

где bР_п — потери в двигателе, то при К ф 1 р. к

Ч ~ Р · К + ΣΡ_η

Если положим ЕР_п=0,1 Р, то получим при К=1

η=0,91,

а при К — 0,4

*7 - 0,8,

Для улучшения кпд приходится увеличивать несколько размеры двигателя. К этому также понуждает и то обстоятельство, что по условиям выполнения, обмотки точки А и В (фигура 12) противоположных фаз разных звезд могут лежать в одном и том же пазу статора. Если ^ при каких-либо на рушениях в работе двигателя эдс и внеш- Фигура 12. нее напряжение бу дут суммироваться, то, как видно из фигура 12, между этими точками получится учетверенное напряжение 2U + 2Е. Вследствие этого изоляция фаз относительно друг друга должен быть соответственно усилена, и размеры пазов возрастают, Учитывая однако возможность Пере распределить потери в меди и железе двигателя более подходящим для данного случая образом, а также и то, что в В. д. отсутствует коллектор и дополнительные полюсы, можно значительно ослабить эффект описанного недостатка. Во Всесоюзном электротехнич. ин-те в Москве поставлены всесторонние изыскания этого типа двигателя. Был сделан подсчет весов двигателей

ПШРШ

и вентильного, коллекторного постоянного тока и коллекторного переменного тока (16²/₃ Hz) применительно к типу двигателя ДПЭ-340, причем получились следующие результаты:

Тип двигателя	Вес в килограммах			Диам. якоря в миллиметров
Тип двигателя	меди	железа] общий		Диам. якоря в миллиметров
Вентильный.	575	2 198	3,5	674
ДПЭ-340.	718	1 648	3,3	635
Коллекторный.	600	2 200	3,6	650

Кроме того представляется возможность перейти на другие типы обмотки, как то: комбини

рованную, ромбическую (фигура 13) или совсем замкнутую (фигура 14). В последнем случае числйо

Фигура 14.

анодов должно быть взято больше, причем принцип схемы состоит в том, что вначале переменный ток преобразуется в постоянный, а затем этот последний подается через коммутирующие вентили в замкнутую обмотку.

В 1933 г. фирма Сименс предложила применить вспомогательный анод реактивной мощности в ртутном выпрямителе, который может улучшить коэф. мощности сети при пуске в ход В. д.

Действие иного анода легче всего проследить на схеме питания двигателя постоянного тока от однофазной сети через ртутный выпрямитель с регулирующими сетками (фигура

15). Если анод U (фигура 15) был зажжен в точке А (фигура

16), то при наличии сильной сглаживающей катушки он должен был бы гореть до точки С (фигура 16), когда включится второй анод V (фигура 15). На участке ВС (фигура 16) происходит регенеративный

0000000 0 ^

процесс, при пуске в ход коэф. мощности равен нулю. При наличии вспомогательного анода О (фигура 15) ток двигателя под влиянием индуктивности L замыкается через этот анод и из сети течет ток, показанный на фигуре 17. Коэф. мощно-

Фигура 16 и 17.

сти становится выше (смотрите Ионные преобразователи). Идея этого предложения м. б. применима к В. д. При надлежащем технич. усовершенствовании ионных преобразователей гл.обр. в отношении их портативности В. д. найдет себе широкое применение для шахтных подъемников, для прокатных ста“*®, для электровозов, то есть всюду, где требуется широкое и плавное регулирование скорости вращения двигателей большой мощности. Можно предвидеть также и применение их в качестве вентильных генераторов в ветро-энергетич. установках.

Лит.: Schenkel, «ΕΤΖ», 1932, 32; «Электричество» 1933, 3—4, 12, 15, 16, 18, 19, 1934, 2; Sabbah, «General Electric Review», 1932, 8. E. Нитусов