Вентильный двигатель

Вентильный двигательВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, электрический двигатель, в отдельной части обмотки которого ток проходит через ионный преобразователь - вентиль поочередно и синхронно с вращающейся частью (фиг. 1). К концам U и V вторичной обмотки однофазного трансформатора присоединены нулевые точки двух шестифазных звезд I и II обмотки статора, отдельные лучи которых дальше соединяются с анодами А вентилей - в технике сильных токов с анодами ртутных выпрямителей. На фиг. 1 показаны два шестианодных выпрямителя с электрически соединенными катодами Нg (а - аноды возбуждения выпрямителя). Однако возможна и любая другая комбинация выпрямителей - 12 одноанодных, 6 двуханодных, 4 треханодных и, наконец, один двенадцатианодный 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.

Вентильный двигатель - электрическая схема

Поочередное прохождение положительной полуволны тока по отдельным фазам обмотки статора достигается при помощи окружающих аноды металлических сеток С, на которые всегда наложен отрицательный по отношению к катоду Нg потенциал от вспомогательного источника, и лишь в тот момент, когда ток должен проходить через данный анод, на сетку накладывают положительный потенциал. 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, т. е. в течение времени порядка одного полупериода сети или части этого полупериода. Подача на сетки положительного, отпирающего вентили потенциала должна происходить не только синхронно с вращающейся частью вентильного двигателя, 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, т. е. регулировать фазовый угол α зажигания данного анода. На фиг. 2 показаны кривые тока в одной фазе при разных углах зажигания в некотором теоретическом случае, когда индуктивность в контуре этой фазы равна нулю и двигатель еще неподвижен. Как видно из фиг. 2, среднее значение тока находится в зависимости от угла зажигания и м. б. получено в пределах от 0 (α = 180°) до полного значения (а = 0°).

Кривые тока в одной фазе при разных углах зажигания в некотором теоретическом случае, когда индуктивность в контуре этой фазы равна нулю и вентильный двигатель еще неподвижен

Для описанной выше двоякого рода синхронной подачи положительного потенциала на сетки анодов необходимы два коммутатора (фиг. 3). Так как в статоре вентильного двигателя имеются две звезды обмотки, работающие от положительных полуволн двух половин вторичной обмотки трансформатора, то эти коммутаторы д. б. в двойном комплекте.

Вентильный двигатель - схема подключения

Коммутатор сети Кс 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 Кд. 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.

Электрические схемы подачи положительного потенциала на сетки м. б. двоякого рода: а) схема фиг. 4: батарея аккумуляторов Б1 все время держит на сетках отрицательный потенциал, а батарея Б2 в момент включения рубильника S изменяет этот потенциал на положительный, R1 и R2 - добавочные сопротивления;

Электрическая схема подачи положительного потенциала на сетки

б) схема фиг. 5: подача положительного потенциала совершается 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 механического выпрямителя. Вместо рукоятки k (фиг. 3) для коммутирования сети м. б. применен фазорегулятор Р (фиг. 5).

Электрическая схема подачи положительного потенциала на сетки

Очень важно для четкости работы вентильного двигателя, чтобы подача потенциала происходила крутым фронтом по времени. Исследования показывают, что надежные результаты в этом отношении получаются лишь по схеме фиг. 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 вентильного двигателя.

Взаимное расположение кривых внешнего напряжения u частоты сети и противоЭДС е частоты вращения

На фиг. 6 показано взаимное расположение кривых внешнего напряжения u частоты сети и противоЭДС е частоты вращения. В этом случае среднее значение тока будет равно

vent dvigatel f1

Действительно, в каждый момент времени

vent dvigatel f2

Отсюда

vent dvigatel f3

Разделив последнее уравнение на t, получим

vent dvigatel f4

Для установившегося режима t достаточно велико, поэтому

vent dvigatel f5

вследствие чего

vent dvigatel f6

Момент вращения вентильного двигателя определяется, как и во всех других электрических машинах, поперечной слагающей ампервитков реакции якоря по уравнению

vent dvigatel f7

где

vent dvigatel f8

i в случае большой индуктивности сглаживающей катушки равно Iср., Ѱ - угол между поперечной осью полюсов и осью той фазы статора, где в данный момент течет ток (фиг. 7, аb - ось ампервитков статора).

Статор вентильного двигателя

В уравнении (1) 2πf= w- 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 1/6 части периода вращения ротора, то угол Ѱ будет периодически меняться по закону ломаной прямой от некоторого начального Ѱ0, зависящего, от начала зажигания данной фазы, до Ѱ0 = 60°. Чтобы среднее значение момента вращения при тех же Е и I было наибольшим, надо угол Ѱ0 делать равным 30°, т. е. область работы каждой фазы брать в пределах заштрихованной площади (фиг. 8), что и достигается соответствующей установкой рукоятки k коммутатора двигателя.

Вентильный двигатель - электрические характеристики

Изменяя угол Ѱ0, мы очевидно увеличим среднее значение тока. Изменение до некоторого предела угла ψ0 вызывает поэтому возрастание момента вращения, и вентильный двигатель получает большее число оборотов. Явления протекают подобно тому, как в двигателях постоянного тока при сдвиге щеток из нейтрали. Сдвигая рукоятку k коммутатора вентильного двигателя на 180 электрических градусов, мы очевидно в состоянии осуществить реверсирование вентильного двигателя.

Если же при таком сдвинутом положении рукоятки k коммутатора направление вращения вентильного двигателя оставить прежним, то возможна рекуперация энергии в сеть, т. е. двигатель станет работать в качестве генератора. Действительно, рассматривая фиг. 9, мы видим, что в противоположность моторному режиму здесь ток, имея то же направление по отношению к аноду, течет в сторону действия противоЭДС вентильного двигателя и противоположен напряжению сети.

Вентильный двигатель - электрические характеристики

Естественно, что для этого необходимо, чтобы по величине e было больше u. Регулирование тормозного (генераторного) момента возможно, как изменением противоЭДС вентильного двигателя, 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. Задаваясь при данном напряжении сети противоЭДС вентильного двигателя от результирующего потока, а также углами ψ0 и α (см. выше), находим вначале Iср. из уравнения

vent dvigatel f8-1

Далее строим диаграмму ампервитков возбуждения и реакции якоря для среднего значения ψ, находим 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 (фиг. 10).

Вентильный двигатель - электрические характеристики

Явления происходят подобно тому, как это имеет место в обычных коллекторных машинах, 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 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 n-й фазе было больше, чем в последующей (n + 1) на величину реактивного напряжения в обеих фазах vent dvigatel f9 равно индуктивности каждой фазы, уменьшенной на величину взаимоиндукции между ними. Иными словами, д. б.:

vent dvigatel f10

Это достигается тем, что изменяют угол ψ0, на некоторый угол β так, чтобы коммутация n-й фазы на (n + 1) происходила не позднее момента пересечения кривых (фиг. 11).

Вентильный двигатель - электрические характеристики

Как видно из изложенного, вентильный двигатель 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 эксплуатации части электрической машины. Всю аппаратуру управления вентильного двигателя включает в себя ртутный выпрямитель, причем управление легко можно автоматизировать. С точки зрения указанных обстоятельств этот электрический двигатель является совершенной машиной. Крупным недостатком его пока является плохое использование меди статора, малый коэффициент мощности и в связи с этим невысокий КПД. Действительно, каждые две фазы обмотки статора находятся под током лишь 1/6 часть периода вращения в пределах ψ0 до ψ0 = 60°. Коэффициент мощности в общем виде равен отношению среднего значения мощности к произведению средних квадратичных значений силы тока и напряжения:

vent dvigatel f11

Если, принять ток i постоянным и равным Iср. и учесть, что фазы горят попарно, то получим

vent dvigatel f12

Таким образом коэффициент

vent dvigatel f13

при γ0 = 60° К = 0,4. Отсюда вытекает, что при заданных в зависимости от нагрева потерях мы в состоянии нагрузить двигатель лишь на мощность, в 1/K раз меньшую, и, следовательно, КПД уменьшится. Действительно, если, например, при коэффициенте мощности К = 1 КПД

vent dvigatel f14

где ∑Рn - потери в двигателе, то при К ≠ 1

vent dvigatel f15

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

η = 0,91,

а при К = 0,4

η = 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 (фиг. 12) противоположных фаз разных звезд могут лежать в одном и том же пазу статора.

Вентильный двигатель - электрические характеристики

Если при каких-либо нарушениях в работе двигателя ЭДС и внешнее напряжение будут суммироваться, то, как видно из фиг. 12, между этими точками получится учетверенное напряжение 2U + 2Е. Вследствие этого изоляция фаз относительно друг друга д. б. соответственно усилена, и размеры пазов возрастают. Учитывая, однако, возможность перераспределить потери в меди и железе двигателя более подходящим для данного случая образом, а также и то, что в вентильном двигателе отсутствует коллектор и дополнительные полюсы, можно значительно ослабить эффект описанного недостатка. Во Всесоюзном электротехническом институте в Москве поставлены всесторонние изыскания этого типа двигателя. Был сделан подсчет весов двигателей вентильного, коллекторного постоянного тока и коллекторного переменного тока (16 2/3 Hz) применительно к типу двигателя ДПЭ-340, причем получились следующие результаты:

Сравнение весов двигателей

Кроме того, представляется возможность перейти на другие типы обмотки, как то: комбинированную, ромбическую (фиг. 13) или совсем замкнутую (фиг. 14).

Комбинированная, ромбическая обмотка вентильного двигателя

В последнем случае число 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.

Замкнутая обмотка вентильного двигателя

В 1933 г. фирма Сименс предложила применить вспомогательный анод реактивной мощности в ртутном выпрямителе, который может улучшить коэффициент мощности сети при пуске в ход вентильного двигателя. Действие иного анода легче всего проследить на схеме питания двигателя постоянного тока от однофазной сети через ртутный выпрямитель с регулирующими сетками (фиг. 15).

Схема питания двигателя постоянного тока от однофазной сети через ртутный выпрямитель с регулирующими сетками

Если анод U (фиг. 15) был зажжен в точке А (фиг. 16), то при наличии сильной сглаживающей катушки он должен был бы гореть до точки С (фиг. 16), когда включится второй анод V (фиг. 15). На участке ВС (фиг. 16) происходит регенеративный процесс, при пуске в ход коэффициент мощности равен нулю. При наличии вспомогательного анода О (фиг. 15) ток двигателя под влиянием индуктивности L замыкается через этот анод и из сети течет ток, показанный на фиг. 17. Коэффициент мощности становится выше.

Вентильный двигатель - электрические характеристики

Идея этого предложения м. б. применима к вентильному двигателю. При надлежащем техническом усовершенствовании ионных преобразователей гл. обр. в отношении их портативности вентильный двигатель найдет себе широкое применение для шахтных подъемников, для прокатных станов, для электровозов, т. е. всюду, где требуется широкое и плавное регулирование скорости вращения двигателей большой мощности. Можно предвидеть также и применение их в качестве вентильных генераторов в ветроэнергетических установках.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Доп. том - 1936 г.