> Техника, страница 53 > Коллекторные машины

Коллекторные машины

Коллекторные машины переменного тока, электрические машины, имеющие ротор (якорь) и связанный с ним коллектор и систему возбуждения переменной полярности.

А. Общая часть. 1. Основные элементы К.м.,их классификация и область применения. По своей конструкции ротор К. м. весьма сходен с якорем машины постоянного тока и отличается от последнего только тем, что впадины его, в которые укладывается обмотка, выполняются обычно полузакрытыми для уменьшения общего сопротивления магнитной цепи машины. Так как, кроме того, сопротивление этой цепи зависит в сильнейшей степени от величины воздушного зазора между статором и ротором, то для уменьшения этого сопротивления, оказывающего значительное влияние на коэфициент мощности (eos ψ) машины, зазор делают порядка от 0,5 до 2 миллиметров.

К. м. находят применение гл. обр. в качестве двигателей, реже как возбудители синхронных и асинхронных машин и лишь в некоторых случаях в качестве генераторов и преобразователей частоты. Коллекторные двигатели могут быть построены как для однофазного, так и для трехфазного тока и разделяются по роду своих характеристик на две основные группы: 1) двигатели последовательные, которые резко изменяют свою скорость с изменением нагрузки и дают высокую скорость при малых значениях тормозного момента на валу, развивая в то же время большой начальный вращающий момент при относительно малом потреблении тока; 2) двигатели шунтовые, скорость которых меняется при изменении нагрузки весьма мало благодаря тому, что магнитный поток их, определяясь током ответвленной возбуждающей цепи, меняется при нагрузке незначительно. Скорость .этих двигателей может быть изменяема вверх или вниз от синхронной в широких пределах. Нек-рые из них допускают вполне плавное изменение скорости, другие—лишь ступенями.

Коллекторные возбудители получают за последнее время широкое распространение под названием фазовых компенсаторов и служат для улучшения коэф-та мощности больших индукционных двигателей. Коллекторные генераторы и преобразователи применяются в каскадных схемах включения коллекторной и асинхронной машины и служат для регулировки скорости последней, повышая одновременно и ее cos φ (смотрите Индукционные машины).

К. м. могут найти применение лишь там, где необходимы те или иные из тех ценных свойств, к-рыми они обладают, как то: значительный пусковой момент, экономичное и плавное регулирование скорости, высокий коэф-т мощности, значительная перегружа-емость. Относительно высокая стоимость этих машин и сложность схемы соединений не дает им возможности конкурировать в целом ряде областей с трехфазным индукционным бесколлекторным двигателем. Этот последний уступает однако К. м. в ряде перечисленных ценных свойств и оставляет поэтому за ними специальные области прак-

тич. применения. Сюда относятся: электрич. жел. дороги,подъемники, краны, насосы, компрессоры, станки для обработки металла и нек-рые машины текстильного и бумажного

производства. Все это в том случае, если для питания электродвигателей, обслуживающих данные механизмы, выбрана система переменного тока.

2. Подвод тока и распределение его в якоре. Якорь К. м. может иметь, даже при двухполюсной схеме, число мест подвода тока больше двух. Для того чтобы найти значения токов в отдельных частях такого якоря, можно воспользоваться уравнением:

п1₁=п1_щ_₁ + (и-1)1_н{.₂ + (п — 2)1щ._ъ + ··· +

+ Мщ- <„_,> + 1щ-_п’ ^

где 1_х—ток данной части обмотки и 1_Щ.—ток через щетки. Здесь принято, что токи 1_г, Ι»,Ι₃,.,Ι_η (фигура 1) положительны при обтекании ими обмотки в направлении стрелки часов, токи же 1_Щ._Х, 1_Щ.₂,1_Щ.₃, ., ^^положительны при направлении их, соответствующем выходу из щетки вовнеммою цепь.В том случае, если токи щеток имеют разные фазы во времени, в уравнении (1) должен быть учтен их временный сдвиг. При трехфазном токе получается (фигура 2):

311=31„_Ь1+ 21щ.₂ +1щ.₃ · (2)

Учитывая временный сдвиг токов согласно диаграмме (фигура 3), получают:

причем ток 1_г отстает во времени на Z 30° от тока 1_щ-1. Имея распределение токов, можно построить диаграмму магнитодвижущих сил (мдс). Для барабанного якоря при

трехфазном токе получается распределение тока согласно фигура 4, т. к. с каждым верхним стержнем обмотки, обтекаемым током какой-либо фазы, соединен нижний, расположенный по диаметру.

Геометрическ. сложение векторов мдс токов отдельных частей обмотки (фигура 5) дает результирующую звезду мдс. В момент совпадения линии времени с вектором (Ιχ — Ι^) ток 1_Щ_ щетки Βι (на фигура 2) будет иметь максимальное значение. Если разделить в этот момент якорь прямой на две части, в которых токи будут иметь одинаковое направление, то линия раздела пройдет через щетку В₁. Прямая эта носит название магнитной оси якоря и совпадает всегда со щеткой, которая в данный момент несет наибольший ток; она определяет направление мдс ротора по отношению к мдс статора.

3. Коллектор как преобразователь числа периодов и фазы эдс. Если поместить якорь, снабженный коллектором во вращающееся магнитное поле, то в обмотке его при неподвижном якоре индуктируется эдс частоты

t Р-п_с.

60 ’

где и_с.—число оборотов в минуту вращающегося поля. Волна этой эдс даст потенциальную волну, к-рая, двигаясь по коллектору со скоростью поля, перемещается с той же

скоростью относительно неподвижных, наложенных на коллектор щеток. На щетках получается эдс той же частоты, что и в статоре. Если привести ротор во вращение со скольжением s относительно поля, то в нем возникает эдс частоты s/_х. Волна потенциала по отношению к коллектору перемещается со скоростью скольжения

60S/,

Щ=п_с-п_Р=-_р^,

где п_р. — число оборотов ротора в минуту. Скорость этой волны по отношению к неподвижным щеткам п_с. ~^пр. +п_р.=п_С,

т. к. ротор сам двигается в направлении поля со скоростью п_р. Частота эдс на щетках равна:

i _ Pⁿ<L· _ f 1щ. _β5 η·

Таким образом коллектор преобразует волну эдс частоты скольжения в волну частоты сети. Можно присоединить ротор, снабженный коллектором, к той же сети, к которой присоединен и статор К. м., и забирать или отдавать энергию также и через ротор при любой скорости вращения.

Роль коллектора не ограничивается преобразованием частоты; он может служить также для изменения фазы эдс. В двухполюсной трехфазной коллекторной машине с обмоткой статора, замкнутой на треугольник (фигура 6), и ротором, снабженным коллектором, получится совпадение по фазе эдс,

индуктированных вращающимся полем в обеих обмотках, в том случае, если места подвода тока к статорной обмотке совпадают с теми местами коллектора, на которые наложены щетки. Если сдвинуть щетки на i_д, то каждая фазная обмотка ротора переместится в том же направлении, и линии магнитного поля будут перерезать ее раньше или позже на время, соответствующее данному сдвигу. При сдвиге щеток против направления вращения поля получится опережение эдс ротора по отношению эдс на статоре, при сдвиге по полю—отставание. Если приложить к щеткам извне напряжение строго определенной фазы, то путем их перемещения на тот или иной угол можно получить различный сдвиг между эдс ротора и этим напряжением. При помощи этого напряжения при соответствующем сдвиге можно влиять на скорость и ко-эфициент мощности К. метров.

4. Момент вращения. Вращающий момент электрическ. машины появляется в результате взаимодействия тока и магнитного потока. Наибольший вращающий момент получится, если ось потока будет перпендикулярна к магнитной оси якоря, ибо только в этом случае токи всех стержней якоря создадут одинаково направленное вращающее усилие. Направление момента определится подобно тому, как это делается для машин постоянного тока. Сила взаимодействия между проводником длиной I сантиметров с током г и полем индукции В м. б. определена согласно формуле Био-Савара. Сила эта, будучи умножена на радиус вращения г, дает вращающий момент

М=10^-8 кгм. (3)

При числе полюсов машины 2р и числе проводников якоря N получим, обозначая кроме того через da элементарную дугу якоря,

π

2

Μ=Νρ ₈₁J В l г г da кгм. (4) о

При синусоидальном изменении индукции и тока вдоль окружности якоря имеем следующие выражения:

г=г₀ sinpa ϊ

В=В₀ Sin pa ^W

Подставляя в ур-ие (4) значения тока г и индукции В из ур-ия (5) и вводя вместо максимального значения индукции полезный поток полюса Ф и вместо максимального значения тока г₀ действующее его значение I, получаем (в кгм):

Μ=-^Ν·ι·ν·ΦΛν-*=κ·ι·φ, (6)

что дает выражение для момента многофазной машины. При сдвиге токов верхних и нижних стержней, лежащих во впадинах зубчатого якоря, надо под током 1 разуметь геометрия, сумму токов этих стержней. Для однофазной машины можно получить подобным же образом (в кгм):

М=---------₇=Ν·Ι·ρ·Φ·10Γ*=1ΐι·Ι·Φ₁. (7)

я· 9,81· 1/2

Приведенные выражения для моментов должен быть умножены на sin угла сдвига между осью поля и осью якоря в том случае, если оси эти не перпендикулярны:

М=к-1Ф-sin (I, Ф). (8)

5. Эдс, индуктированные в яко-р е К. м. В якоре коллекторной машины, помещенном в переменном магнитном поле, могут возникать эдс двух родов: вращения и трансформации. Задавая направление вектора этого поля под а к магнитн. оси А А якоря (фигура 7), разложим его на две слагающих, из которых одна Ф_г перпендикулярна к магнитной оси якоря, а другая Ф₂ с ней совпадает. При пульсации потока Ф_г в неподвижном якоре никакой эдс индуктироваться не будет, при вращении же якоря в этом потоке в обмотке появится неко- ф_ИГ. 7.

торая переменная эдс, амплитудная величина которой будет определяться амплитудой поля и скоростью вращения, подобно тому как это получается в якоре машины постоянного тока. В виду того однако, что поле пульсирует, принимая при этом различные значения, эдс на щетках будет строго следовать за всеми изменениями поля. В тот момент, когда поле проходит через свое нулевое значение, эдс вращения никакого другого значения, кроме нулевого, иметь не может, так как поле фактически отсутствует и линий, которые резались бы проводниками якоря при его вращении, нет. Общее выражение для действующего значения этой эдс:

^=а-^-Й^Ф110”^{8ВОЛЬТ; (9)}

здесь: р—число пар полюсов, а—число пар цепей тока, N—число стержней обмотки,

—составляющая потока, перпендикулярная к магнитной оси якоря, п_р.—число оборотов якоря в минуту. Вторая составляющая Ф₂ общего потока Ф никакой эдс при вращении якоря создать в обмотке его не может, т. к. она индуктирует в отдельных стержнях его параллельных цепей встречно направленные эдс, от пульсаций же этого потока в обмотке якоря будет индуктироваться эдс трансформации. Эта эдс не зависит от скорости вращения якоря и определяется выражением:

-Шb-⁶· ^В0ЛЬТ’ ⁽¹⁰⁾

где: fi—частота пульсации потока, с_е— коэфициент, учитывающий форму кривой распределения поля и угол между щетками, если они расположены не по диаметру, а под некоторым углом.

Эдс отстает во времени на 90° от потока Ф_г. Эдс вращения совпадает по фазе с потоком Ф_и что не противоречит однако закону индукции, т. к. в этом случае должно рассматривать, благодаря вращению якоря, не поток в контуре витка, а мгновенное значение потока во времени по отношению к таковому же эдс. На векторной диаграмме эту эдс нужно отложить для двигателя под

углом в 180° к создающему ее потоку. Если предположить, что потоки Ф₁ и Ф₂ не являются слагающими поля Ф, а вполне самостоятельны и сдвинуты не только в пространстве, но и во времени HaZ90° и при-Ф_г том так, что Ф₂ опере-

жает на этот угол Ф_г, то эдс вращения и Е, Е_т ф, трансформации будут

*--*—* направлены на вектор-

Флг. 8. ной диаграмме (фигура 8)

одна по отношению к другой навстречу. На щетках получится лишь разность этих эдс. При скорости ротора, синхронной с частотой пульсаций полей, имеем:

Е_в.= Е,

что дает с нек-рым приближением: Ф₁= Ф₂. При этой скорости получается, следовательно, круговое вращающееся поле и результирующая эдс ротора, равная нулю. Если поле является круговым при всех скоростях ротора, то вычисление эдс можно вести, рассматривая ее как разность эдс вращения и трансформации по формуле для Е_в_ и вводя в нее вместо скорости п_р_ разность скоростей и₂=— п_р_ и вместо потока Ф_х

полный вращающийся поток машины Ф.

6. Коммутация тока. Щетки, наложенные на коллектор якоря, фиксируют своим положением определенноераспределе-ние тока в обмотке независимо потому, вращается якорь или не вращается. При вращении якоря в любой из секций его обмотки протекает некоторый ток 1_г неизменного направления лишь во время движения места присоединения сторон секции к коллектору от щетки до щетки. В момент перехода под щеткой секция замыкается накоротко, а затем стороны ее переключаются в другую ветвь с иным значением и направлением тока. Этот процесс изменения тока носит название коммутации. В случае постоянного тока значение тока секции меняется на прямо противоположное, в случае же переменного наибольшее изменение тока имеет место лишь в некоторые моменты времени.

Фигура 9.

При трехфазном токе картина изменения тока в отдельных фазах ротора представлена на фигуре 9. Три синусоиды а, Ь, с изображают изменение тока во времени во всех трех фазах. Ток каждой секции обмотки ротора следует за изменением тока какой-либо фазы только до тех пор, пока секция перемещается от щетки до щетки. При проходе под щеткой секция замыкается накоротко, после чего ток в ней начинает изменяться по другой кривой, соответствующей той фазе, в какую она перешла. Жирной линией нанесено изменение тока такой секции при ряде последовательных переключений. Картина меняется при переходе от одной секции к другой, причем наибольшее измене ние тока получается в той секции, которая коммутируется в момент, когда ток одной

, | з фазы равен ~ своей максимальной вели-

л 3

чины, а в другой — ~- той же величины. Картина фигура 9 построена в предположении, что скорость ротора равна ²/₃ от скорости изменения питающего его тока. Полное изменение тока за период коммутации:

=1_Щ., равняется току через данную щетку 1_Щ. При таком изменении тока меняется и магнитное ноле, сцепленное с коммутируемым контуром обмотки. Это изменение поля создает в этом контуре электродвижущую силу самоиндукции, или так называемую реактивную эдс е_р.=е · υ_κ. · 10^-8 вольт, (11)

где: с—постоянная, зависящая от размеров впадины, стержней и от положения их во впадине; b—ширина щетки в см; ν_κ.—окружная скорость коллектора в см/ск. По фазе эдс е_р. совпадает с током 1_Щщ. При определении е_р. надо учитывать влияние соседних с данной коммутируемой секцией сторон других секций в том случае, если они находятся также в коммутационном периоде. При четном числе фаз роторной обмотки и диаметральном шаге ее надо поэтому в выражение для ввести коэфициент 2. Кроме этой эдс в короткозамкнутой секции машины переменного тока действует еще трансформаторная, которая обусловлена пульсациями в этом контуре внешнего магнитного поля. Выражение для этой эдс:

е_т.=4,44 · I ^ U · Ф Ю-⁸ вольт, (12)

где К—число коллекторных пластин, N— число активных проводников обмотки, /₂— частота изменения поля в контуре витка, р—число пар полюсов и а—число пар цепей тока. Эдс е_т. отстает от потока Ф на Ζ90°. Результирующая эдс короткозамкнутого контура складывается из эдс реактивы, и трансформации и равняется их геометрической сумме. В том случае, когда внешнее поле и магнитная ось якоря перпендикулярны (условие максимума момента), эдс эти сдвинуты на Ζ 90° и результирующая е=Ее^.+е|. (13)

Эдс е может вызвать сильный дополнительный ток в замкнутом накоротко щеткой контуре в том случае, если ее величина будет превосходить то падение напряжения в этом контуре, которое имеет место в переходном слое между коллектором и щеткой. Падение это для современных угольных щеток лежит в пределах от 1 до 2 вольт. Опыт показывает, что величина эдс е не должна превосходить 3 вольт. Для уменьшения этой эдс иногда применяют добавочные полюсы, которые устраивают в коммутационных зонах на статоре; они создают при вращении якоря в короткозамкнутой секции эдс, эффективное значение которой таково:

е_д.=- В_д. 21 V ~ 10-® вольт. (14)

Здесь В_д—индукция под добавочным полюсом, 21—активная длина двух коммутируе-

мых сторон, V—окружная скорость якоря. Эта эдс должна быть направлена встречно к е, для чего необходимо определенным образом подобрать фазу тока, питающего добавочный полюс,что достигается соответствующим включением его обмотки. Для того чтобы уничтожить е при различных условиях работы машины, применяют иногда две обмотки добавочного полюса; одну, включаемую последовательно со щетками и служащую для компенсации эдс е_р., и другую— параллельно, для компенсации е_т,.

В К. м., даже при наличии добавочных полюсов, не всегда удается добиться удовлетворительной коммутации в виду того, что в замкнутой накоротко секции существуют еще эдс,обусловленныевысшими гармониками зубцов. Борьба с этими эдс чрезвычайно затруднена и может вестись лишь по линии правильного установления размеров зубцов машины, величины междужелезного пространства под добавочным полюсом, а также размеров и числа стержней обмотки.

Б. Однофазные коллекторные двигатели.

1. Последовательный однофазный коллекторный двига-т ель. Если к последовательному двига-. _д телю постоянного то-

¹ ка подвести перемен ный ток, то двигатель начнетвращаться в определенном направлении благодаря тому, что при изменении тока так-Фигура ίο. же одновременно из меняется и направление потока, почему вращающий момент сохраняет все время свое направление. Работа такого двигателя будет неудовлетворительна вследствие больших потерь в сплошных полюсах и ярме, а также вследствие низкого cos φ. Двигатель, который предназначен для работы на переменном токе, отличается от постоянного тем, что железо как ротора, так и статора его собирается из отдельных листов; междужелезное пространство двигателя делается возможно меньше; на ста- ir-i торе его, кроме возбужда- U-

А

-е

$

Фигура 12.

ющей обмотки В, укладывается еще к о м-пенсационная обмотка К, связанная с общей цепью двигателя электрически (фигура 10, А) или магнитно (фигура 10, Б). Роль компенсационной обмотки заключается в уничтожении поля якоря, которое требует для своего существования реактивного

тока и уменьшает тем самым cos φ. В видах повышения cosy возбуждающая обмотка статора делается с относительно малым числом витков. Отношение ампервитви возбуждения ампервитки якоря этом случае получается порядка 1:3, тогда как в машинах постоянного тока это отношение доходит до 3:1.

Общая схема включения последовательного двигателя дана на фигуре 11. Здесь Т— трансформатор, питаемый от сети. Вторичная обмотка трансформатора имеет ряд выводов к контроллеру (смотрите) Р, к-рый служит для пуска двигателя в ход постепенным повышением напряжения. На статоре двигателя расположены три последовательно соединенные между собой и со щетками обмотки: возбуждающая Е, компенсирующая 1C и добавочных полюсов D. Общий ток I последовательной цепи двигателя создает магнитный поток Ф, пульсирующий с частотой

Фигура 13.

тока (диаграмма, фигура 12). При вращении ротора в потоке Ф. в его обмотке индуктируется эдс Е_е%. В обмотке возбуждения от пульсации поля Ф создается эдс ~Е_е_. Результирующая эдс В, равная геометрической сумме эдс Е_в. и В_с., уравновешивается слагающей напряжения сети—Е. Приложенное напряжение V уравновешивает кроме того активное (1г) и реактивное (1х) падения напряжения, обусловленные сопротивлениями всей цепи двигателя. Ток двигателя I отстает от напряжения 7 на угол φ главным обр. благодаря наличию эдс П_с. На фигуре 13 даны характеристики последовательн. двигателя n=f(M) для различных напряжений V в % от номинального.

Коммутация тока в последовательн. двигателе протекает в машинах малой мощности удовлетворительно далее без добавочных полюсов, в больших они необходимы. При включении этих полюсов последовательно в общую цепь двигателя уничтожается однако лишь реактивная электродвижущая сила е_р. Для уменьшения трансформаторной эдс последовательные двигатели большой мощности строят исключительно для низкой частоты, в 25 и 16²/₃ пер/ск. Кроме того применяют особые схемы включения добавочных полюсов. Одна из этих схем состоит в том, что параллельно с обмоткой этих полюсов вводится активное сопротивление,

благодаря чему фаза тока в обмотке добавочного полюса получается отличной от фазы тока общей цепи. Путем подбора шунтирующего сопротивления фаза эта может быть установлена так, как это нужно для компенсации результирующей эдс короткозамкнутой цепи. Сопротивление это поглощает некоторое количество энергии, снижая кпд на 2—3%. Поэтому применяют также другую схему (фигура 14), где эдс е_т. уничтожается добавочным полем компенсационной обмотки К; добавочн. полюса Д. П. служат здесь только для уничтожения реактивной эдс. Полное уничтожение эдс коммутации·. 14. ции имеет здесь место так же, как и в предыдущем случае, лишь при одной определенной скорости вращения ротора. Схема (фигура 14) может быть применена не только в целях улучшения коммутации, но также и как особая схема двигателя с двойным питанием. В этом случае компенсационная обмотка служит не только для компенсации поля якоря, но, будучи питаема от сети самостоятельно, и для переноса энергии трансформаторным путем на ротор. Последний питается таким образом с двух сторон: непосредственно от сети и трансформаторно от компенсационной обмотки.

2. Репульсионный двигатель. Если в последовательном однофазном двигателе отъединить ротор R от общей последовательной цепи и замкнуть щетки накоротко между собой, то получится репульсионный двигатель. Две обмотки статора можно заменить при соответствующем положении щеток одной S, эквивалентной по своему действию двум обмоткам (схема, фигура 15). Преимущество такой маши

ны заключается в отсутствии непосредственного электрического соединения коллектора с сетью. При расположении подвиж-цых щеток на коллекторе двигателя по оси X—X, перпендикулярной к оси обмотки статора (Ζα=0°, положение холостого хода), никаких эдс в обмотке ротора не будет. Двигатель подобен трансформатору в холостом ходу. Вращающий же момент отсутствует так же, как и при другом крайнем положении щеток (Ζα=90°, положение короткого замыкания). В этом последнем положении ток в роторе, а следовательно и ста-

Фигура 15.

торе, может получить недопустимые значения вследствие того, что ток, который индуктируется полем статора в обмотке ротора замкнутой накоротко через щетки, будет велик. В любом промежуточном положении между Ζ α= 0° и Ζ α= 90° создастся некоторый вращающий момент. Наибольший момент получится при Ζ“=80—85°, нормальный при Ζα= 67,5—77,5°. Поток статора Ф моясет быть разложен на 2 слагающих: одну, совпадающую с магнитной осью ротора Ф₂, и другую, к ней перпендику лярную Ф_г. Поток Ф₂ индуктирует в роторе эдс, которая создает в нем ток 1₂. Ток этот даст свое поле, направленное по оси щеток встречно к Ф₂. По этой оси установится некоторый поток, определяемый разностью обоих полей. Роль этого потока сводится к переносу энергии со статора на ротор. Ток ротора 1.₂ взаимодействует с полем Ф_х и создает вращающий момент, характерный для двигателей последовательного возбуждения:

Ж=7с · 1₂ · Ф₁=к · If sin 2а,

где 1_Х—ток статорной обмотки, а — угол сдвига щеток от положения холостого хода. В зависимости от относительного направления поля возбуждения Ф_х и магнитной оси ротора, вращающий момент будет иметь то или иное направление. Реверсирование двигателя достигается простым смещением щеток в ту или другую сторону из положения холостого хода. Векторная диаграмма

Фигура 16.

(фигура 16) дает возможность судить о коэфици-енте мощности и условиях коммутации двигателя. По вертикальной оси отложены ток Т_х и поток возбуждения Ф_х. Магнитодвижущая сила тока 1_Х и приведенного роторного тока Ιί дадут результирующую магнитодвижущей силы 1„, создающую поток Ф₂. Этот последний индуктирует в роторе эдс Е_п, отстающую во времени от потока на Ζ90°. Эдс вращения ротора Е_в_ в потоке Ф_1; сложенная геометрически с падением напряжения от тока 1₂, уравновешивает Е_п. В статоре тем же потоком Ф₂ индуктируется эдс которая уравновешивает приложенное напряжение V совместно с эдс самоиндукции Е_с. поля Φχ и падениями напряжения от тока Ιχ. Вектор тока 1_Х оказывается согласно диаграмме сдвинутым на угол φ по отношению к напряжению V в сторону отставания. Потоки Ф_х и Ф₂, сдвинутые в пространстве друг относительно друга на 90°, имеют временный сдвиг, также близкий к 90°, и поэтому создают вращающееся эллиптич. магнитное поле при всех скоростях ротора, кроме синхронной, когда поле становится круговым. Наличие вращающегося поля благоприятно сказывается на коммутации машины при скоростях, близких к синхронной. При пуске в ход из положения холостого хода трансформаторная эдс велика, и коммутация неудовлетворительна. Ухудшается коммутация и при превышении синхронной скорости более чем на 10%. Репульсионный двигатель применяется в кранах, подъемни-

ках, небольших электровозах, компрессорах, насосах и вентиляторах.

Кроме схемы Томсона значительно распространен двигатель системы Дери (фигура 17). В этой машине неподвижные щетки и, υ соединены с подвижными х, у. При пуске в ход щетки и и х, υ и у попарно соприкасаются, выключая тем самым обмотку ротора. При сдвиге подвижных щеток из этого положения на £ а ось каждой из обмоток, которые замыкаются парами соединенных друг с другом щеток, сдвигается на

X 2 > ^чт0 облегчает регулирование. Коммутация протекает в этом случае легче, так как ток коммутируется только от 0 до I, а не от + .Ζ до —I, как в двигателе Томсона. В применении к подъемникам более распространена схема (фигура 18) с неподвижными

Фигура 17. Фигура 18.

Фигура 19.

щетками. Последовательно с главной, расположенной по оси щеток частью обмотки статора А включаются здесь дополнительные обмотки В_х и В.j, которые сдвигают результирующую ось обмотки статора в ту или другую сторону от положения короткого замыкания, благодаря чему получается то или иное направление вращения двигателя.

3. Компенсированный репульсионный двигатель. Большим недостатком репульсионного двигателя является низкий коэфициент мощности. Машина м. б. скомпенсирована в том случае, если цепью, создающей поток возбуждения, сделать ротор (фигура 19). На роторе помещены две пары щеток, из которых х, у соединены последовательно со статорной обмоткой и имеют ось, перпендикулярную к оси этой обмотки, щетки же и, V, ось которых совпадает с осью статорной обмотки, замкнуты между собою накоротко. Ротор создает поток возбуждения по оси щеток х, у, а также участвует в создании трансформаторного потока Ф₂, направленного по оси щеток и, υ. Диаграмма токов и эдс будет разниться от диаграммы для репульсионного двигателя только тем, что в первичной цепи имеется дополнительная электродвижущая сила вращения, направленная встречно к эдс самоиндукции, индуктируемой пульсациями поля возбуждения, и уменьшающая тем самым вредное действие последней эдс на cos?). При синхронной скорости результирующая этих двух электродвижущих сил будет равна нулю, поэтому cos φ имеет значение, близкое к единице.

При низких скоростях ротора cosy получается того же порядка, что и для репульсионного двигателя. Характеристики скорости компенсированного двигателя сходны с характеристиками для последовательного и репульсионного. Условия коммутации тока различны для щеток возбуждающей и главной цепи. В возбуждающей трансформаторная эдс уравновешивает эдс вращения, поэтому остается лишь электродвижущая сила самоиндукции, небольшой ве--г-^-

личины, благодаря малому значению тока. Для щеток главн. тока и, V условия коммутации те же, что и в репульсионном двигателе. Для улучшения коммутации при пуске двигателя в ход уменьшают поток возбуждения, включая возбуждающую цепь ротора через автотрансформатор. Компенсированный репульсионный двигатель нашел себе одно время применение в электрич. тяге, но был затем вытеснен последовательным.

4. Однофазный шунтовой коллекторный двигатель. Шунтовой двигатель постоянного тока не может работать удовлетворительно при питании переменным током вследствие того, что ток и магнитный поток возбуждения значительно отстают во времени из-за большой самоиндукции возбуждающей обмотки от тока цепи якоря. Большой сдвиг между током якоря и магнитным полем ведет к малому значению вращающего момента. Для уменьшения указанного сдвига шунтовые двигатели переменного тока возбуждаются с ротора. При скоростях ротора, близких к синхронной, частота тока в его обмотке весьма мала, вследствие чего влияние самоиндукции этой обмотки оказывается незначительным. Ротор несет также и рабочий ток (схема, фигура *20), получая его трансформаторным путем от обмотки статора А, которая присоединена к сети. Соединенные накоротко щетки и, V служат для замыкания роторной обмотки. Возбуждающий ток подводится к ротору помощью щеток х, у, присоединенных к части обмотки статора. В виду того, что якорь и цепь возбуждения питаются от цепей с постоянным напряжением, вращающий момент зависит линейно от, скорость же при изменении нагрузки почти не изменяется. Эту скорость можно регулировать. Рассматривая обмотку статора и ротор с его рабочими щетками и, υ как трансформатор, можно отложить магнитный поток этого трансформатора Ф₂ по горизонтальной оси (фигура 21). Поток этот переносит энергию со статора на ротор и создает своими пульсациями в обмотке ротора эдс Е_пр,. Эта эдс уравновешивается геометрическ. суммой падения напряжения вторичной цепи I₂z₂ и эдс вращения Е_ер., создаваемой потоком возбуждения Ф_х. Пульсации этого потока создают в роторе эдс.

Lx,

рабочего тока машины,

U

Фигура 20.

Е_пв., при вращении же ротора в потоке Ф₂получится эдс Е_вв. В многоугольник эдс возбуждающего контура входит также падение напряжения Ι_Άζ_β. и напряжение V₂ части статорной обмотки, которая присоединена к цепи возбуждения. Вектор приложенного напряжения У) уравновешивается составляющей эдс —Е_пр., направленной обратно к Е_пр., слагающей напряжения —F₂, а также падением напряжения 1₁г₁. Токи будут определяться направлениями активных падений соответствующих цепей. Ток ротора и намагничивающий ток дадут как геометри-ческ. разность статорный ток 1_г, направление которого в сильной степени зависит от величины напряжения F₂. Меняя это напряжение, можно влиять на cos φ. Для изменения скорости двигателя можно в цепь щеток главной цепи ротора ввести от особого трансформатора добавочное напряжение, ориентированное так же, как эдс Е_пр. Для того, чтобы восстановить нарушенное равновесие, должна измениться эдс Е_вр., что может иметь место только при изменении скорости. Другой способ регулирования сводится к изменению потока возбуждения Ф_хпутем включения в возбуждающую цепь добавочной, уложенной на статоре обмотки с осью, направленной по оси щеток возбуждения. Обмотка эта может иметь ряд ответвлений к переключающему контроллеру так. обр., что в цепь возбуждения м. б. введена большая или меньшая ее часть. Коммутация шунтового двигателя протекает совершенно подобно компенсированному репульсионному. Область применения данной машины весьма ограничена. Пусковой момент весьма мал.

В. Многофазные коллекторные двигатели.

1. Трехфазный последовательный коллекторный двигатель. Трехфазный последовательн. двигатель имеет последовательно через щетки соединенные обмотки статора и ротора; иногда соединение это выполняется через трансформа-

Фигура 22.

тор. При положении щеток согласно фигура 22, А, магнитодвижущая сила статора и ротора складываются (2 α= 0°) и двигатель ведет себя как трансформатор в холостом ходу. Другое крайнее положение щеток получится при Ζ α= 180° (фигура 22, Б). В этом случае мдс статора и ротора направлены друг другу навстречу; поэтому магнитный поток весьма мал и двигатель подобен трансформатору в коротком замыкании. Вращающий момент будет отсутствовать как в том, так и другом случае, т. к. сдвига между полем и мдс ротора нет. Если сдвинуть щетки из пускового положения (Ζ.α=0^ο) против направления вращения поля и расположить их под=150° (нормальный рабочий угол), то получится диаграмма мдс согласно фигура 23. Мдс, будучи сдвинуты на Ζ а, дают результирующую мдс, которая обусловливает существование потока Ф. Направление вращения двигателя п_р_ в данном случае совпадает со стрелкой часов. Если направление вращения поля п„. совпадает с направлением сдвига щеток, то двигатель будет следовательно вращаться против поля, в противном случае—по полю. Последнее направление вращения выгоднее, так как ротор находится в лучших условиях с точки зрения потерь и коммутации. Задавая вектору потока Ф направление вращения, совпадающее с направлением вращения ротора, получим векторную диаграмму токов и эдс одной фазы двигателя. Откладывая вектор (фигура 24) тока I по вертикальной оси,

должно отложить вектор эдс статора Е_с. под углом к нему λ+90° из тех соображений, что максимум этой эдс наступит лишь тогда, когда поток сдвинется на этот угол от того положения, когда он создавался током рассматриваемой фазы и совпадал с вектором I. Результирующую электродвижущую силу двигателя В найдем в виде геометрии, суммы эдс статора Е_с. и отложенной к ней под Ζα в сторону опережения эдс ротора Е_р. Пренебрегая падениями напряжения, можем считать, что эдс Е уравновешивается приложенным к зажимам двигателя напряжением V.

При вращении ротора вектор,

Е_р. уменьшается, сохраняя свое -£) направление. Угол между то- ком I и напряжением V вследствие этого также уменьшается. При Е_р.=0 (синхронная скорость) ток будет почти совпадать по фазе с напряжением.

При дальнейшем повышении скорости эдс ротора меняет знак, поэтому ток может стать опережающим напряжение V. От векторной можно перейти к круговой диаграмме эдс, а затем и тока при постоянном Ζ а (фигура 25). Откладывая вектор V по вертикали, строим на нем треугольник эдс. При постоянстве угла между эдс статора и ротора (180°—а) вершина треугольника эдс будет двигаться по кругу при изменении Е_р., а следовательно и скольжения s. В точке В получится син-

Фиг хроннаяскорость приэдс Е_р.= 0. В точке К при s=1,0 двигатель будет неподвижен. Точка О (начало координат) отвечает бесконечному скольжению s=со. Диаграмма тока будет во всем следовать диаграмме эдс. Любому значению вектора В_с. диаграммы напряжений соответствует вектор тока, сдвинутый согласно фигура 25 на Z (90° —Я). Вра

щающий момент последовательной машины при неизменном Z а может быть представлен так же, как для двигателя постоянного тока: т=к-Р.

Из круговой диаграммы тока видно, что при уменьшении скорости момент будет нарастать до точки т. За этой точкой лежит область неустойчивой работы. Для того чтобы повысить устойчивость двигателя, применяют иногда двойной комплект щеток, на коллекторе, включая промежуточный трансформатор (фигура 26). Сдвиг щеток одного комплекта х, у, z при неподвижном другом V, w, и вызывает лишь относительное смещение двух составляющих эдс ротора при небольшом смещении результирующей мдс. Работа двигателя протекает поэтому устойчиво даже при изменяющемся в широких пределах угле сдвига щеток; cos ψ в этом случае несколько ухудшается.

Промежуточный трансформатор между статором и ротором применяют также и при наличии всего лишь одного комплекта щеток. Такой трансформатор служит гл. обр. для уменьшения напряжения на роторе при статоре, включаемом непосредственно в сеть высокого напряжения. Трансформатор должен быть рассчитан на часть мощности двигателя, пропорциональную заданной регулировке скорости. При регулировании на” 25% вниз от синхронной скорости, мощность трансформа тора должна составлять те же 25% от полной мощности двигателя. Удовлетворительная с точки зрения коммутирования работа двигателя получается при изменении скорости примерно от 40 до 100% от синхронной. Добавочные полюса благодаря переменному положению щеток обычно не применяются. Возможно применение обмотки статора с укороченным до половины полюсного деления шагом по Гейланду. В этом случае получается настолько широкая коммутационная зона, что представляется возможность в то же время передвигать в некоторых пределах щетки коллектора.

2.Трехфазный шунтов ой коллекторный двигатель. Трехфазный шунтовой коллекторный двигатель представляет собою по существу асинхронный двигатель, у которого во вторичную часть, при помощи коллектора, введена добавочная эдс. Та дополнительная обмотка, в которой эта эдс индуктируется общим полем машины, укладывается во впадинах первичной части двигателя. Будучи более сложным и более дорогим по сравнению с нормальным асинхронным двигателем, шунтовой коллекторный обладает однако рядом ценных свойств, к которым следует прежде всего отнести возможность широкой и экономичной регулировки скорости, а также те высокие значения коэф-та мощности, которые м. б. получены при нек-рых режимах его работы. На фигуре 27 даны характеристики cos φ и скорости шунтового коллекторного двигателя

при трех начальных скоростях (и)—наибольшей, средней и наименьшей. При вышесин-хронной скорости получается даже опережение при моменте большем половины нормального. Это же видно из фигура 28, где приведены круговые диаграммы шунтового двигателя с питанием через ротор и при различных значениях добавочной, введенной во вторичную часть, эдс, изменяемой путем смещения щеток на коллекторе. Круг К отвечает работе двигателя в качестве обыкновенного асинхронного, при замкнутой следовательно накоротко вторичной его цепи. Все круги, имеющие центр вверх от центра круга К, отвечают работе на вышесинхрон-ной скорости, остальные на нижесинхронной

Существует два типа шунтовых трехфазных коллекторных двигателей: один с питанием через статор и другой—через ротор. Первая из этих машин выполняется обычно по схеме фигура 29. Обмотка статора S соединяется звездой и имеет ряд ответвлений в

части, близкой к нулевой точке звезды; ответвления эти щ, и₂, и₃ и т. д. лежат по обе «стороны этой точки так. обр., что при переходе контакта, соединенного с цепью ротора, через нулевую точку, меняется знак эдс, вводимой во вторичную цепь. Концы всех ответвлений выведены к контроллеру (на схеме не показан), при помощи которого они соединяются со щетками, наложенными на коллектор ротора. Щетки располагаются обычно т. о., что ось каждой фазы эквивалентной звезды ротора (изображена пунктиром) совпадает с осью соответствующей статорной фазы. В этом случае получается влияние добавочн. эдс только на скорость двигателя. При желании иметь и cos φ его достаточно близким к единице несколько смещают щетки по направлению вращения двигателя при вышесинхронной скорости ротора и против—при нижесинхронной. Т. к. при вышесинхронной скорости рассеяние вторичной системы играет роль емкости, то сдвиг этот м. б. сделан в этом случае меньшим для получения той же компенсации. Слабой стороной двигателя со статорным питанием является наличие переключающего контроллера.

Т. <£?. τη. X.

Фирма AEG сделала попытку избежать контроллера, заменив его потенциал-регулятором. На фигуре 30 представлена схема такого двигателя. Здесь а—главная статорная, питаемая от сети обмотка, Ь—добавочная обмотка статора, d—п от е н ц и а л-р егуля-т о р (регулятор фаз), с—коллектор двигателя с наложенными на него щетками. Потенциал-регулятор питается от той же сети, что и двигатель, и имеет напряжение сети приложенным к кольцам ротора.

Статор регулятора, будучи соединен с добавочной обмоткой и щетками, доставляет в эту цепь добавочную эдс переменной фазы так. образ., что результирующее, приложенное к щеткам напряжение может иметь различную величину и фазу.

Регулировка ведется путем смещения ротора потенциал-регулятора, при одновременном смещении щеток, при помощи маховичка. Потенциал-регулятор обычно составляет с двигателем его неотъемлемую часть.

В двигателе с питанием через ротор плавная регулировка скорости достигается путем смещения щеток на коллекторе (схема на фигуре 31). Первичн. обмотка R, присоединенная к кольцам, помещается на роторе и вращается вместе с ним. На роторе же помещена добавочная обмотка г (отделенная от первичной электрически или связанная с ней), присоединенная к коллектору. Три отдельные статорные обмотки замкнуты на коллектор через щетки. Три щетки, соединенные с началами статорных фаз, сидят на одной траверсе, а другие три, соединенные с концами этих фаз,—на другой. Траверсы могут перемещаться в различные стороны одна по отношению к другой, например при помощи зубчатки, связанной с ними и регулируемой автоматически или же от руки. Если сдвинуть траверсы так. обр., чтобы щетки, соединенные с каждой фазой, лежали рядом, замыкаясь через одну и ту же пластину коллектора, то двигатель ничем не будет отличаться от обыкновенного асинхронного, питаемого с ротора. Раздвигая щетки от этого среднего их положения в том или ином направлении, будем тем самым включать между ними нек-рое число витков дополнительной роторной обмотки, вводя во вторичный контур добавочную эдс переменной, зависящей от положения щеток, величины. При угле а сдвига щеток, равном 180°, получается максимальное возможное значение этой эдс. Ось введенной путем смещения щеток в цепь добавочной роторной обмотки сдвигаться при этом не будет. Если положение траверс выбрать таким образ., чтобы оси фаз статора и добавочной обмотки ротора совпадали, то получится влияние только на скорость. Сдвигая маховик, приводящий в движение траверсы в противоположные

21

Фигура 29.

стороны, в одном направлении отположения, отвечающего нормальн. асинхронному реяшму, будем менять скорость вниз от синхронной, сдвигая в другом—вверх. Число витков роторной обмотки при а=180° выбирается обычно равным половине числа витков фазы статора. В этом случае пределы регулирования будут -3:1.

Если одновременно с регулировкой скорости желательно при низкесинхронной скорости иметь повышенное значение коэфици-ента мощности, то мозкно устраивать несимметричное движение траверс таким образом, чтобы при переходе от вышесин-хронной на нижесин-хронную скорость ось роторной обмотки смещалась несколько в сторону, противоположную направлению вращения. Смещение этой оси получается весьма небольшим, порядка 10электрических градусов.

Нек-рым недостатком шунтового двигателя с питанием через ротор является необходимость иметь при напряжении больше 500 V между ним и сетью трансформатор. Эти двигатели мощностью от 5 до 80 kW строятся в СССР на ленинградском заводе «Электросила», а заграничными фирмами выполняются двигатели до 150 kW. С точки зрения коммутации оба типа двигателей находятся в различных условиях. Машина с питанием через статор имеет эдс трансформации переменной величины, зависящей от скорости ротора. Наибольшая величина этой эдс получается при пуске двигателя в ход, а наименьшая— при синхронной скорости. Реактивная эдс растет с увеличением скорости и имеет относительно высокие значения вследствие большого тока и числа витков ротора. В двигателе с питанием через ротор трансформаторная эдс имеет постоянную величину независимо от скорости ротора, поэтому она определяет допустимую величину потока на один полюс машины. Реактивная эдс в этом двигателе невелика. В конечном счете надо признать, что двигатель с питанием через ротор находится в лучших коммутационных условиях. Размеры коллектора машин обоих типов при одинаковой мощности и пределах регулирования одни и те же, если только принять за допустимое напряжение между коллекторными пластинами одну и ту же величину при вращении ротора со скоростью, наиболее удаленной от синхронизма.

3. Компенсированный асинхронный двигатель. Компенсированный асинхронный двигатель весьма близок но схеме соединений к шунтовому коллекторному и составляет как бы своегородапереход-ную ступень от этого двигателя к обыкновенному асинхронному. Компенсированный двигатель дает cosy =1,0 или даже опере жающий, что достигается введением во вторичную его цепь добавочной эдс, которая сдвинута на угол близкий к 90° по отношению к эдс скольжения этой цепи. В зависимости от полозкения щеток на коллекторе такого двигателя дополнительная эдс может быть ориентирована и иначе, что может повлечь за собой небольшое изменение скорости двигателя вверх или вниз от синхронной. Такая регулировка однако редко представляется необходимой, в виду чего основное свойство двигателей — высокий cosy, при отсутствии регулирования, выступает на первый план. Отличие компенсированного двигателя от шунтового коллекторного заключается в том, что величина добавочной эдс, а следовательно и размеры той добавочной обмотки, в которой она создается, получаются значительно меньшими для компенсированной машины. Характеристики компенсированного двигателя значительно отличаются от нормального асинхронного, как это видно из кривых для cosy, η и s (фигура 32), построенных в функции от мощности на валу для двигателя по системе Осноса завода «Электросила» (10 kW, 230 V, 750 об/м.). На фигуре 33 даны круговые диаграммы той же машины, снятые для различных положений щеток на коллекторе двигателя. Теоретич. круговые диаграммы компенсированного двигателя так же, как и для других многофазных коллекторных машин, м. б. построены, если известныпараметрымашины.

В соответствии с двумя возможными схемами шунтового коллекторного двигателя получаются две схемы компенсированного: 1) двигатель Гейланда с питанием через; статор и 2) двигатель Осноса с питанием через ротор. Двигатель Гейланда (схема на фигуре 34) имеет на статоре обмотку S_lt присоединяемую к питающей сети, и дополнительную обмотку S₂c относительно небольшим числом витков. Эта дополнительная обмотка присоединена к щеткам, наложенным на коллектор. На роторе помещены две обмотки, из которых одна замкнута накоротко (Uj), а другая присоединена к коллектору (г₂) · Дополнительная обмотка статора S_гсоздает нужную добавочную эдс частоты сети, которая при помощи коллектора преобразовывается в эдс частоты скольжения и дает во вторичном контуре добавочный ток, накладывающийся на общий ток этой цепи и сдвигающий результирующий вектор его·

в сторону опережения, снимая тем самым со статора функцию намагничения машины. При соответствующем положении щеток можно распределить токи во вторичной цепи таким образом, чтобы обмотка R_x несла по

преимуществу активный ток, а обмотка г₂— намагничивающий, реактивный. Двигатель Гейланда обладает одним весьма существенным недостатком, а именно неудовлетворительной коммутацией при пуске, так как в этот момент трансформаторная эдс имеет свое полное значение, подобно шунтовому двигателю с питанием через статор. Для уменьшения поля в момент пуска применяют переключение обмотки статора со звезды на треугольник, чем однако понижают пусковой момент. Реактивная эдс имеет в этом двигателе также относительно большую величину, т. к. с коллектором соединена возбуждающая обмотка, обладающая относительно большим числом витков, но эта эдс в сильной степени парализуется наличием короткозамкнутой обмотки. Для улучшения пусковых условий схему Гейланда можно несколько видоизменить, накладывая на коллектор шесть щеток вместо двух и размыкая

на время пуска соединение их со статорной добавочной обмоткой. За последнее время Гейландом применяется в двигателях его типа обмотка статора с укороченным до половины полюсного деления шагом, благодаря чему в коммутационной зоне получается ком мутирующее поле.¹ Условия коммутации такого двигателя значительно более благоприятны и позволяют строить машины до мощностей порядка 30 kW.

Компенсированный двигатель схемы Ос-носа получил большое распространение благодаря лучшим условиям коммутирования. На роторе этой машины (схема фигура 35) располагается первичная обмотка К_1? присоединенная при помощи колец к питающей сети. В тех же впадинах ротора, в которых уложена первичная обмотка, располагается добавочная, соединенная с коллектором и далее через щетки с обмоткой статора, замкнутой на реостат, к-рый оказывается введенным в ее нулевую точку. По принципу действия эта машина ничем не отличается от предыдущей. Коммутация такого двигателя протекает весьма удовлетворительно. Трансформаторная эдс имеет постоянную величину независимо от скорости ротора. Она м. б. сильно ограничена путем укорочения шага обмотки, соединенной с коллектором. Реактивная эдс в этом двигателе невелика. Двигатель м. б. построен для значительных мощностей, до 1 000 kW. Кпд двигателя Осноса равен практически кпд нормальной асинхронной машины, т. к. потери в железе в первом меньше благодаря относительно небольшому объёму железа первичной системы, помещаемой на роторе. Главный недостаток двигателя — невозможность включения в сеть с напряжением выше 500 V без особого трансформатора, к-рый должен быть рассчитан на полную мощность двигателя.

По сравнению с нормальными асинхронными компенсированные машины обладают еще тем преимуществом, что пе-регружаемость их значительно выше и достигает 27₂—3-кратной от нормального момента. Это делает их пригодными для самых тяжелых условий работы.

4. Синхронизированные асинхронные двигатели. В 1901 г. шведским инж. Даниельсоном была сделана попытка обратить асинхронную машину в синхронную путем введения в ротор постоянного тока от особого источника. На фигуре 36 дана схема такой машины. Статор 8 асинхронного двигателя присоединен к сети. Ротор R при помощи переключателя замыкается при пуске на сопротивление А, а затем переключается на возбудитель постоянного тока Е. В его цепи появляется тогда постоянный ток, который существует в нем вместе с током частоты скольжения и создает поле, неподвижное относительно ротора. Последнее взаимодействует с вращающимся полем статора, создавая пульсирующий синхронный момент. При достаточно сильном поле постоянного тока двигатель ускоряется до синхронной скорости в те-

чение положительной полуволны момента и идет далее как синхронный. Асинхронный синхронизированный двигатель должен обладать увеличенным междужелезным пространством, для того чтобы перегружаемость его была достаточно высока. Преимущества данной системы перед нормальным синхронным двигателем заключаются в значительном пусковом моменте, а перед асинхронным— в высоком cos ψ. Недостатки этой системы—относительно низкая перегружаемость и некоторые затруднения при пуске в момент перехода из асинхронного в синхронный режим, связанные с необходимостью увеличения возбуждения. Двигатели этого типа м. б. построены для мощностей до 2 000 kW и выше и служат для привода компрессоров, а также дефибреров бумагоделательных фабрик.

При мощностях ниже 50—60 kW синхронизированный двигатель с отдельным возбудителем себя не оправдывает, в виду чего применяют двигатель с самовозбуждением, предложенный герм. инж. Шюлером. Двигатель Шюлера (схема фигура 37) несет на роторе обмотку R_v питаемую от сети при посредстве колец. На ротор же наложена вторая обмотка Е₃, соединенная с коллектором и электрически разобщенная от первой. На коллекторе имеются неподвижные щетки х и у, замкнутые на одну из фаз двухфазной статорной обмотки S. Вторая фазовая обмотка статора служит для получения двухфазной системы при пуске двигателя в ход в качестве асинхронного и замыкается в пусковом реостате А накоротко по достижении двигателем синхронной скорости. При синхронном ходе эта фазов. обмотка служит демпфером. При вращении ротора такой машины со скоростью, равной скорости поля, создаваемого его многофазной обмоткой, в сторону, противоположную последнему, получим неподвижное в пространстве поле. В этом неподвижном поле вращается ротор с его дополнительной обмоткой и коллектором. В цепи, замыкающей щетки, то есть в статоре, получается постоянный ток, который создает мдс, ориентированную по оси обмотки S. Взаимодействие этой мдс с неподвижным полем ротора создает синхронный момент и определяет направление этого поля. При изменении нагрузки двигателя ось поля смещается по отношению к щеткам, благодаря чему эдс и ток возбуждения таюке изменяются. В зависимости от положения щеток на коллекторе можно получить различные условия компенсации двигателя, а также и различные значения его максимального момента. На фигуре 38 даны кривые cosy для разных угловых положений щеток на коллекторе. Максимальный момент синхронизированного двигателя имеет величину 1,3—

1,5 от номинального, что впрочем не представляет особых неудобств, ибо по выпадении из синхронизма, вследствие случайной перегрузки, двигатель идет как асинхронный,

при некоторых, правда, колебаниях тока и скорости. Он вновь втянется в синхронизм, как только нагрузка упадет до значения, даже несколько превышающего нормальную. Рабочие условия двигателя м. б. проще

всего анализированы при помощи круговых диаграмм (фигура 39). Все круги оказываются вписанными в один общий предельный круг К, к-рый получился бы, если бы возбуждение синхронизированного двигателя оставалось неизменным при изменении нагрузки и угла сдвига щеток. Этот круг представляет собою диаграмму тока компенсированной машины Осноса при изменении положения щеток на коллекторе ее так. обр., чтобы скорость оставалась синхронной. Для получе ния диаграмм синхронизированного двигателя с самовозбуждением достаточно построить этот предельный круг, принимая за точку его центра конец вектора намагничивающего тока машины, как нормальной асинхронной, а затем вписать в него малые круги, построив их на радиусах большего. Для построения предельного круга необходимо знать параметры машины, определив их расчетным или опытным путем.

Синхронизированный асинхронный двигатель с самовозбуж--дением обладает высоким cos φ и хорошими пусковыми характеристиками, но он уступает компенсированному двигателю в перегружаемое™, не обладая никакими относительными преимуществами, помимо необходимого в некоторых случаях практики синхронного хода. Только в этих редких случаях он и может найти себе применение.

Г. Коллекторные генераторы. Любая из описанных выше К. м., обладающая вращающимся полем, может работать в качестве генератора переменного тока. Необходимо различать по роду возбуждения два случая такой генераторной работы. В том случае, если К. м. приключена к какой-либо сети, напряжение которой фиксируется каким-либо генератором переменного тока, то возбуждающий ток, необходимый для существования

Фигура 39.

в К. м. магнитного поля, может замыкаться через этот генератор, и поэтому возбуждение является независимым. В этом случае К. м. может быть переведена из двигательного режима работы в генераторный путем приложения к ее валу извне механич. усилия при соответствующем кроме того положении щеток. Путем смещения щеток можно добиться также того, чтобы генераторная работа протекала при отсутствии реактивного тока в линии, то есть при cos φ=Χ. В этом случае генератор будет самовозбужден, так как ток, необходимый для создания его магнитного поля, будет циркулировать лишь в нем самом. Питающая сеть может быть при этих условиях отсоединена от всех других источников энергии, кроме данной К. м., которая сможет питать ее самостоятельно. В виду наличия в машинах остаточного поля нет необходимости приключать К. м. предварительно к сети, питаемой другой машиной, так как она может самовозбуждаться и самостоятельно. Величина напряжения, к-рое при этом установится, определится, также как и в генераторе постоянного тока, пересечением кривой намагничения машины и некоторой прямой, уклон которой зависит от величины активных сопротивлений всей цепи машины и способа соединения и положения ©бмоток (фигура 40). Такое самовозбуждение переменным током мыслимо однако лишь в машинах, обладающих вращающимся полем. В каждый момент поле должно где-то существовать, так как, если оно исчезнет, то вновь может не возникнуть совсем. Последовательный однофазный двигатель работать генератором переменного тока при обычной схеме его соединения поэтому не может. Что же касается шунтовых К. м., как многофазных, так и однофазных, то самовозбуждение их, при соответствующем положении щеток и скорости вращения, в случае соединения с ними некоторой сети с определенной, фиксированной каким-либо генератором частотой, будет происходить с той же частотой и проявится лишь в отсутствии в сети тока, намагничивающего коллекторный генератор. При отсоединении синхронной машины, питающей сеть, частота эта почти не изменится. Иначе будет обстоять дело при последовательной многофазной или репульсионной машине в качестве генератора. Здесь возможно самовозбуждение машины с частотой совершенно отличной от частоты сети, к которой приключена машина. Частота самовозбуждения, вследствие большего по сравнению с активным реактивного сопротивления контура, на который замкнут генератор, обычно бывает значительно ниже частоты сети, ибо она определяется лишь параметрами того контура, на к-рый генератор замкнут. Сеть представит для этих токов низкой частоты весьма малое сопротивление, в виду чего токи при отсутствии насыщения К. м. могут быть очень велики и испортить коллекторный генератор. В этих случаях,для того чтобы потушить самовозбуждение, приходится всегда включать между сетью и машиной добавочные сопротивления, в которых поглощается значительное количество энергии. Последовательная многофазная и репульсионная однофазная К. м. служат поэтому в генераторном режиме скорее тормозом, чем генератором. Для перевода в этот реяшм последовательной машины необходимо сместить щетки от нулевого их положения в сторону, обратную той, в к-рую их смещают при двигательном режиме. Последовательный однофазный двигатель может самовозбуждаться только постоянным током. Это самовозбуждение весьма опасно и может получиться в том случае, если двигатель будет вращаться посторонним усилием в сторону, обратную его движению в двигательном режиме. При наличии индуктивной связи мемсду главной цепью двигателя и его обмоткой возбуждения можно избегнуть возникновения постоянного тока и заставить машину отдавать переменный ток. Cos ψ такой системы однако низок. Практического применения вышеописанные коллекторные генераторы почти не нашли. Некоторое применение генераторная работа этих машин находит лишь в электрич. тяге, скорее впрочем для торможения, чем для рекуперации энергии.

Особый тип коллекторного генератора представляет компенсированная К. м. Шер-биуса, а также и ее видоизменение в виде машины Япольского и Костенко. Япольский и Костенко предложили вместо явно выраженных полюсов машины Шербиуса устраивать на статоре обычную трехфазную обмотку В_г, В₂, В₃ для получения вращающегося поля (схема фигура 41). В этом случае обмотка ротора г₂ м. б. выполнена с диаметральным шагом, машина может иметь шесть добавочных полюсов на двойное полюсное деление на статоре и весьма простую компенсирующую обмотку K_lt К₂, К_а. Такой коллекторный альтернатор может применяться для нормальных частот и служить для питания переменной частотой асин-хрон. двигателей, скорость которых регулируется в широких пределах изменением частоты. Скорость альтернатора будет оставаться неизменной, изме- Фигура 41.

пяться должна только частота возбуждающего тока, доставляемая особым небольшим возбудителем, например синхронным. Возбуждающая обмотка коллекторного альтернатора с вращающимся полем м. б. уложена также на роторе (обмотка R_ltфигура 41). Статор несет в этом случае компенсирующую обмотку К, К₂, К_ъ, на роторе же расположены две обмотки: возбуждающая iJj и рабочая г₂, присоединенная к коллектору. Такой машиной с роторным возбуждением пользуется Коцишек, включая ее в каскад с асинхронным двигателем для регулировки скорости последнего.

Конструкция К. м. По своей конструкции К. м. обычно состоят из статора, по-

добного статору асинхронного двигателя, и ротора, подобного якорю машины постоянного тока. К. м. в большинстве случаев выполняются открытого типа, но в некоторых специальных случаях, как например в текстильной промышленности, применяются коллекторные двигатели закрытого типа с вентиляцией. На фигуре 42 представле-

Wechselstromtechnik, В. 5, Т. 2—Die Wechselstrom-Kommutatormaschinen,В., 1923; Schenkel М„ Die Kommutatormaschinen f. einphasigen u. mehrphasigen Wechselstrom, B.—Lpz., 1924;011iverC. W.,TheA. C. Commutator Motor,L., 4927; Sailinger F. Die asyn-chronen Drehstrommaschinen, B.,1928. Д. Завалишин.