КАРДОНОВ Г А ЭЛEКТРИЧEСКИE МАШИНЫ КУРС ЛEКЦИЙ СПБ 2002 145 С 10

При жесткой характеристике скорость вращения n почти не зависит от момента М, поэтому мощность:
, (4.27)
где С4 - постоянная.
При мягкой характеристике двигателя n обратно пропорционально , вследствие чего:
, (4.28)
где - постоянная.
Поэтому при изменении нагрузочного момента в широких пределах мощность Р2 , а, следовательно, мощность Р1 и ток Ia изменяются у двигателей с последовательным возбуждением в меньших пределах, чем у двигателя с параллельным возбуждением, кроме того, они лучше переносят перегрузки.

В двигателе со смешанным возбуждением магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения - параллельной и последовательной. Поэтому его механическая характеристика располагается между характеристиками двигателей с параллельным и последовательным возбуждением (рис. 4.15).
Достоинством двигателя со смешанным возбуждением является то, что он, обладая мягкой механической характеристикой, может работать при холостом ходе, так как его скорость холостого хода n0 имеет конечное значение.

Рис.4.15. Механические характеристики двигателя со смешанным возбуждением.

5. Информационные машины

К числу информационных машин относятся: поворотные трансформаторы, сельсины, магнесины и асинхронные тахогенераторы.

5.1. Поворотный трансформатор

Поворотными трансформаторами называют электрические машины переменного тока, преобразующие угол поворота ? в напряжение, пропорциональное некоторым функциям этого угла или самому углу. В зависимости от закона изменения выходного напряжения они подразделяются на следующие типы:
а) синусно - косинусный трансформатор, позволяющий получить на выходе два напряжения, одно из которых пропорционально sin?, а второе cos?;
б) линейный поворотный трансформатор, выходное напряжение которого пропорционально углу ?;
в) трансформатор - графопостроитель, выходное напряжение которого связано с подаваемыми первичными напряжениями зависимостью:
, (5.1.1)
где
С - постоянная.
Для получения поворотных трансформаторов различных типов может быть использована одна и та же машина с двумя обмотками на статоре и двумя на роторе при различных способах включения обмоток.
Поворотные трансформаторы широко используются в автоматических и вычислительных устройствах для решения геометрических и тригонометрических задач. В системах автоматического регулирования они используются в качестве измерителей рассогласования.
Конструктивно поворотный трансформатор выполняется так же, как асинхронный двигатель с фазным ротором. На статоре и роторе расположены по две одинаковые однофазные распределенные обмотки, сдвинутые между собой в пространстве на 90 градусов. Магнитопровод - шихтованный.
Поворотный трансформатор может работать в режиме поворота ротора или в режиме вращения. В первом случае положение ротора относительно статора задается поворотным механизмом (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Принципиальная схема четырехобмоточного поворотного трансформатора.

В этом режиме одна из статорных обмоток - обмотка возбуждения В - присоединяется к сети переменного тока, а другая - компенсационная или квадратурная обмотка К - подключается к некоторому сопротивлению или замыкается накоротко. В некоторых случаях обе статорные обмотки получают питание от независимых источников переменного напряжения. Обмотка ротора S (синусная) и С (косинусная) присоединяются к контактным кольцам. Для уменьшения числа колец концы двух обмоток объединяются. Применяется так же токосъем с помощью спиральных пружин; в этом случае угол поворота ротора ограничен 1,8...2 оборотами.
При работе в режиме вращения обмотки возбуждения и компенсации с целью уменьшения числа контактных колец размещают на роторе, а синусную и косинусную - на статоре. При этом компенсационная обмотка замыкается накоротко, а выводы обмотки возбуждения подключаются к двум контактным кольцам.

Принцип действия. При подключении обмотки возбуждения В к сети переменного тока в машине возникает продольный магнитный поток Фd, пульсирующий во времени с частотой сети. При холостом ходе в обмотках ротора S и С этот поток будет наводить ЭДС Еs0 и Ec0, частота которых равна частоте сети f1, а действующее значение будет зависеть от положения ротора относительно статора (рис. 5.2а).

а) б)

Рис. 5.2. Схематический разрез поворотного трансформатора (а) и график распределения индукции вдоль окружности его статора и ротора (б).

Предположим, что магнитный поток Фd распределен в воздушном зазоре синусоидально; в этом случае индукция в воздушном зазоре изменяется вдоль окружности статора и ротора по закону (рис. 5.2б):
, (5.1.2)
где
Вср - индукция в воздушном зазоре по оси обмотки В.
В обмотке статора В поток Фd индуктирует ЭДС:
, (5.1.3)
где
Фdm - максимальное значение потока:
(5.1.4)
Здесь
l1 - продольная длина статора (ротора);
- число витков обмотки статора.
Предположим, что ось фазы С обмотки ротора сдвинута относительно фазы В обмотки статора на некоторый угол . В этом случае максимальное значение потока, сцепленного с обмоткой С:
, (5.1.5)
а ЭДС, индуцированная в этой обмотке
, (5.1.6)
где
- число витков обмотки ротора.
Из соотношения
,
выходное напряжение косинусной обмотки при холостом ходе
. (5.1.7)
Обмотка ротора S сдвинута относительно обмотки С на угол ?/2 , следовательно, выходное напряжение в этой обмотке
. (5.1.8)
Обмотка К с потоком Фd не связана и он не индуктирует в ней ЭДС. Она используется для компенсации поперечных потоков, создаваемых обмотками ротора при нагрузке поворотного трансформатора. Если вместо обмотки В присоединить к сети переменного тока обмотку К, то она создаст поперченный поток, по отношению к которому обмотка S будет косинусной, а обмотка С - синусной. Таким образом, в обмотках ротора при холостом ходе индуктируются ЭДС, пропорциональные синусу и косинусу угла поворота ротора относительно соответствующего потока. Применяя различные схемы включения обмоток статора и ротора, можно получить и другие функциональные зависимости, а так же уменьшить погрешности, вызываемые током нагрузки.

5.1.1. Синусно - косинусный поворотный трансформатор.

При подключении к синусной обмотке S нагрузки , по ней будет проходить ток:
, (5.1.9)
где
- сопротивление обмотки S, которое будем считать постоянным.
Ток IHS создает НС ротора, максимальное значение которой
(5.1.10)

Рис. 5.3. Векторная диаграмма НС при подключении нагрузки к синусной обмотке.

Как видно из рис. 5.3 ось этой НС совпадает с осью фазы S, поэтому ее можно представить в виде векторной суммы двух составляющих: продольной Fsd=Fssin? и поперечной Fsq=Fscos?. Продольная составляющая Fsd создает в обмотке возбуждения В компенсирующий ток, НС которого FB , так же, как и в обычном трансформаторе, компенсирует действие Fsd . Результирующий продольный поток Фd индуцирует в обмотке S ЭДС
(5.1.11)

Поперечная составляющая Fsq создает в поворотном трансформаторе поперечный поток Фq , максимальное значение которого
(5.1.12)
где
- магнитное сопротивление магнитопровода машины.
По отношению к поперечному потоку Фq обмотка S является косинусной и, следовательно, в ней индуцируется ЭДС
. (5.1.13)
ЭДС Еsq можно представить в виде:
(5.1.14)
где
(5.1.15)
- реактивное сопротивление обмотки ротора.
Таким образом, при нагрузке в синусной обмотке S продольным и поперечным потоками индуктируется результирующая ЭДС
(5.1.16)
Следовательно, ЭДС, индуцированная в синусной обмотке будет иметь вид:
(5.1.17)
Решив это уравнение относительно ,получим
, (5.1.18)
где
- некоторый комплексный коэффициент.
Аналогично можно получить выражение для ЭДС, индуцированной в косинусной обмотке:
, (5.1.19)

где
- комплексный коэффициент,
и - сопротивление косинусной обмотки и подключенной к ней нагрузки.

Таким образом, при наличии тока нагрузки и нарушаются требуемые синусоидальная и косинусоидальная зависимости изменения ЭДС Es и Ec , а, следовательно, и выходных напряжений Us и Uc от угла поворота ? и возникает определенная погрешность. Относительная погрешность для синусной и косинусной обмоток:
(5.1.20)

(5.1.21)
где
и - максимальные значения напряжений и .
Действительная часть комплексов и принимается за амплитудную погрешность, мнимая - за фазовую погрешность (изменение фазы выходного напряжения синусной или косинусной обмотки по отношению к фазе или при холостом ходе). Из выражений для и следует, что для уменьшения погрешностии необходимо уменьшить величины комплексов и, т.е. увеличить сопротивления нагрузки и . Наименьшая амплитудная погрешность соответствует активной нагрузке; наименьшая фазовая погрешность - индуктивной и емкостной нагрузкам.

Рис. 5.4. Зависимость выходного напряжения в синусной обмотке и погрешности от угла поворота ротора. (1-кривая при холостом ходе;2,3- при нагрузке ( и ); 4-зависимость для ; 5- зависимость для).

На рис. 5.4 показаны зависимости Us=f(?) при холостом ходе (кривая 1) и при нагрузке (кривые 2 и 3), построенные по вышеуказанным формулам. При этом кривые 2 и 3 соответствуют значениям As, равным 0,25 и 1. Из этих кривых следует, что при нагрузке погрешность поворотного трансформатора может быть весьма значительной. Зависимости амплитудной погрешности ?Us от угла поворота ? для указанных значений модуля комплекса As изображены на рисунке кривыми 4 и 5.
Исследование выражений для ипоказывает, что погрешность ?Us достигает максимального значения при углах ?, равных 35о16', 144o44' и 215o16'.
Для устранения погрешности поворотного трансформатора, обусловленной поперечным потоком Фq , применяют так называемое симметрирование трансформатора, т. е. компенсацию поперечного потока ротора. Существуют два способа симметрирования: вторичное (со стороны ротора) и первичное (со стороны статора).

Вторичное симметрирование. Уменьшить погрешность выходного напряжения, снимаемого с синусной обмотки, можно, если подключить к косинусной обмотке сопротивление (рис. 5.5a).
В этом случае ток, проходящий по обмотке С, создает намагничивающую силу, максимальное значение которой
. (5.1.22)

а) б)

Рис. 5.5. Схема синусно-косинусного трансформатора о вторичным симметрированием (а) и диаграмма МДС, создаваемых обмотками ротора (б).

НС Fc можно представить, как и НС Fs , в виде векторной суммы двух составляющих: продольной Fcd=Fccos? и поперечной Fcq=Fcsin?. Продольная составляющая Fcd совпадает по направлению с Fsd, а поперечная составляющая Fcq направлена против Fsq. При равенстве Fcq =Fsq поперечный поток Фq будет равен нулю. Следовательно, не будет и погрешности, обусловленной этим потоком.
Величину можно определить из условия
(5.1.23)
или
(5.1.24)
или
. (5.1.25)
Так как поперечный поток Фq равен нулю, то
(5.1.26)
Следовательно
(5.1.27)
Откуда
. (5.1.28)
Т.е. при равенстве результирующих сопротивлений обеих фаз ротора ток IB в обмотке возбуждения поворотного трансформатора не зависит от угла поворота ротора, т. к. в выражении для результирующей продольной составляющей НС ротора , определяющей величину тока IВ , не входит какая-либо функция угла ?:

или
(5.1.29)
где
; . (5.1.30)
Недостатком этого метода симметрирования является то, что практически он применим только при неизменном сопротивлении нагрузки.

Первичное симметрирование. Если нагрузка подключена только к одной из обмоток ротора, например к обмотке S (рис. 5.6а), то НС ротора по поперечной оси не равна нулю.
а) б)

Рис. 5.6. Схемы синусно - косинусных поворотных трансформаторов с первичным (а) и первичным и вторичным симметрированием (б).

Для уменьшения поперечного потока компенсационную обмотку К статора замыкают на какое-либо малое сопротивление или накоротко. В этом случае по поперечной оси будет действовать результирующая НС
, (5.1.31)
где
(5.1.32)
- НС, создаваемая компенсационной обмоткой.
Так как обмотка К по отношению к поперечному потоку Фq представляет собой замкнутую накоротко вторичную обмотку трансформатора, то результирующая НС будет значительно меньше НС первичной обмотки. Поэтому поперечный поток Фq и вызванная им погрешность резко уменьшается. При изменении нагрузки, подключенной к обмотке ротора, НС изменяется приблизительно пропорционально НС , вследствие чего степень компенсации поперечного потока остается практически неизменной. Это является достоинством данного метода симметрирования. Однако при изменении угла поворота ротора ? изменяется ток в обмотке возбуждения, что является нежелательным, т.к. при заданном напряжении в этом случае будет изменяться ЭДС . В результате появляется дополнительная погрешность в величине выходных напряжений и на зажимах синусной и косинусной обмоток. Поэтому в поворотных трансформаторах обычно применяют одновременно первичное и вторичное симметрирование ( рис. 5.6б).
Рассмотренные методы компенсации поперечного потока Фq могут быть применены при использовании в качестве рабочей обмотки как синусной, так и косинусной обмоток. Поэтому поворотный трансформатор, подключенный по схеме рис. 5.6б, называют синусно - косинусным.

5.1.2. Линейный поворотный трансформатор

Выбирая определенным образом схемы включения обмоток поворотного трансформатора, можно получить зависимость выходного напряжения от входного угла поворота, в некотором ограниченном диапазоне изменения угла поворота , близкую к линейной. Так, при желаемой точности линейной аппроксимации 0,1%, диапазон изменения угла ограничен пределами . Поэтому использовать для линейного трансформатора одну синусную обмотку нерационально.
Диапазон изменения угла от - до +, при той же точности линейной аппроксимации 0,1%, можно получить, если выходное напряжение представить в виде функции
, (5.1.33)
где
.
Для реализации зависимости (5.1.33) применяют две схемы соединения обмоток поворотного трансформатора: с первичным симметрированием (на статоре) (рис. 5.7а) и с вторичным симметрированием (на роторе) (рис. 5.7б).

Рис. 5.7. Схема линейного поворотного трансформатора: а) с первичной компенсацией, б) со вторичной компенсацией.

В схеме первичного симметрирования линейного поворотного трансформатора (рис. 5.7а)
компенсационная обмотка замыкается накоротко, поперечный поток при этом равен . Для цепи обмоток S и C можно записать:
. (5.1.34)
Так как ЭДС, индуктированные в косинусной обмотке и обмотке возбуждения совпадают по фазе, то они будут складываться алгебраически. Поэтому с учетом (5.1.3) и (5.1.6) сумма
, (5.1.35) откуда
(5.1.36)
Следовательно, согласно (5.1.8) ЭДС, индуктируемая в выходной обмотке S определится выражением:
(5.1.37)
Пренебрегая падениями напряжения в активных сопротивлениях синусных и косинусных обмоток, а также в активном сопротивлении обмотки возбуждения и принимая
, (5.1.38)
получим окончательное выражение для выходного напряжения линейного поворотного трансформатора:
. (5.1.39)
В линейных поворотных трансформаторах с симметрированием по первичной обмотке изменение нагрузки практически не оказывает влияния на выходное напряжение, т. е. на линейность выходной характеристики, т. к. компенсационная обмотка К компенсирует поперечный поток , а сопротивление . При изменении угла поворота ротора возникают небольшие погрешности в выходном напряжении из-за изменения тока и падения напряжения в первичном контуре.

В схеме линейного поворотного трансформатора с вторичным симметрированием (рис.5.7б) при изменении нагрузки нарушается условие симметрирования и возникают значительные отклонения от линейной зависимости. Поэтому эту схему применяют сравнительно редко.

<< Пред. стр. 10 (из 13) След. >>

Список литературы по разделу