Во многих случаях к машинам постоянного тока предъявляются такие требования, которым машины нормальной конструкции не удовлетворяют. Это привело к созданию ряда специальных типов машин постоянного тока. В данной статье кратко рассматриваются некоторые типы подобных машин, которые получили распространение на практике или имеют перспективы такого распространения.

Генератор с тремя обмотками возбуждения

Рисунок 1. Внешняя характеристика (а) и схема (б) генератора с тремя обмотками возбуждения

В ряде случаев требуется, чтобы внешняя характеристика генератора имела вид, изображенный на рисунке 1, а. При характеристике этого вида в широком диапазоне изменения напряжения Uток I изменяется мало и близок к току короткого замыкания I_к. Такая круто падающая внешняя характеристика желательна, например, в случае электрической дуговой сварки, так как при этом ток в дуге мало зависит от ее длины и короткое замыкание (соприкосновение электрода со свариваемым изделием) неопасно. Генераторы с такой характеристикой целесообразно использовать также для питания по схеме Г – Д электродвигателя механизма, работающего на упор, например экскаватора. В этом случае при застревании и остановке механизма ток и момент двигателя будут ограничены, в результате чего исключается возможность повреждения механизма или машины.

Характеристику вида рисунка 1, а можно получить в генераторе с тремя обмотками возбуждения: 1) независимой, 2) параллельной и 3) последовательной (рисунок 1, б), намагничивающая сила которой, направлена навстречу намагничивающей силе F₁ + F₂ первых двух обмоток. Такие генераторы предложены инженером Ц. Кремером в 1909 году.

Генераторы с тремя обмотками возбуждения в настоящее время применяются в мощных экскаваторах с электрическим приводом, на тепловозах для питания тяговых двигателей, а также в ряде других случаев.

Генераторы с расщепленными полюсами

Рисунок 2. Сварочный генератор с расщепленными полюсами

Рисунок 3. Внешние характеристики генератора по схеме рисунка 2

Генераторы с расщепленными полюсами также имеют круто падающую внешнюю характеристику. На рисунке 2 изображен сварочный двухполюсный генератор, в котором каждый из полюсов N и S расщеплен на две части: с сердечниками нормального и уменьшенного сечения. Машина имеет две обмотки возбуждения, одна из которых расположена на широких сердечниках, а другая – на узких. Узкие сердечники насыщены сильно, а широкие – слабо.

Якорь генератора (рисунок 2) можно разбить на четыре сектора. Сектор аг и бв создают намагничивающую силу реакции якоря, которая направлена по оси широких сердечников полюсов и размагничивает их (смотрите рисунок 2, где штриховые линии изображают магнитные линии потока реакции якоря). Поскольку эти сердечники слабо насыщены, то их поток с увеличением I_a значительно уменьшается, а при больших значениях I_a даже изменяет направление. Секторы аб и гв создают намагничивающую силу реакции якоря, которая направлена по оси узких сердечников и намагничивает их. Однако вследствие сильного насыщения этих сердечников поток в них остается практически постоянным. В результате суммарный поток сердечников полюсов N – N и сердечников полюсов S – S с увеличением I_aбыстро уменьшается, вместе с тем резко падает также напряжение машины U, снимаемое с главных щеток а и в.  Напряжение между главной щеткой в и вспомагательной, или "третьей", щеткой б остается практически постоянным, так как индуктируется потоком узких полюсных сердечников, и используется для питания обмоток возбуждения. Ток обмоток широких сердечников регулируется сопротивлением R_в, и при разных положениях реостата получаются внешние характеристики, показанные на рисунке 3.

В СССР с расщепленными полюсами изготовлялись сварочные генераторы ПС с U_н = 35 В (напряжение холостого хода до 80 В) и на ток до 500 А. Генераторы имели также добавочные полюсы, расположенные между сердечниками главных полюсов N и S.

Генераторы поперечного поля

Такие генераторы впервые были предложены немецким инженером Э. Розенбергом (1904 году). В настоящее время они применяются главным образом для питания электрооборудования пассажирских вагонов железных дорог и работают параллельно с аккумуляторной батареей. Эти генераторы приводятся в движение от оси вагона и в широком диапазоне изменения n дают U = const.

Рисунок 4. Устройство генератора поперечного поля

Устройство двухполюсного генератора поперечного поля схематически показано на рисунке 4. Кроме щеток 1 – 1, расположенных на геометрической нейтрали полюсов, машина имеет также щетки 2 – 2, сдвинутые от первых на 90°. Щетки 1 – 1 замкнуты накоротко, а щетки 2 – 2, соединяются с выводными зажимами.

Поток возбуждения полюсов Ф_в индуктирует электродвижущую силу E₁ в цепи короткозамкнутых щеток 1 – 1, но не индуктирует электродвижущую силу в цепи щеток 2 – 2. Ток

I₁ = E₁ / R_a

создает поперечный поток реакции якоря Ф₁, замыкающийся через широкие наконечники полюсов. Этот поток индуктирует в цепи щеток 2 – 2 электродвижущую силу E₂, которая вызывает в цепи нагрузки ток I₂. Одновременно ток I₂ создает намагничивающую силу реакции якоря F₂, направленную по продольной оси полюсов и уменьшающую поток возбуждения. Такое действие F₂и обусловливает получение U ≈ const при изменении n. На якоре (рисунок 4) во внешнем кольце показаны направления тока I₁, а во внутреннем – направления тока I₂. В проводниках одних секторов якоря существуют токи I₁ + I₂, а в проводниках других секторов – токи I₁ – I₂.

Рисунок 5. Характеристики генератора поперечного поля

Зависимости I₁, I₂ и U₂ от n изображены на рисунке 5. Генератор возбуждается от аккумуляторной батареи и с n= 0 до n = n₁ работает на холостом ходу (I₂ = 0). При этом I₁и U₂ = E₂ растут пропорционально n. При n = n₁напряжение U₂ = E₂ сравнивается с напряжением аккумуляторной батареи и автомат включает генератор на параллельную работу с батареей. С дальнейшим увеличением E₂ при n > n₁ возникает ток нагрузки I₂ и намагничивающая сила реакции якоря F₂. Под действием этой намагничивающей силы Ф_в начинает уменьшаться, вследствие чего уменьшаются также E₁, I₁ и Ф₁. Однако электродвижущая сила E₂ = c_e × Ф₁ × n на щетках 2 – 2, а также напряжение U₂ = E₂ – R_a × I₂ продолжают несколько расти. Начиная с некоторой скорости, U₂ и I₂ остаются практически постоянными.

Советский инженер Л. Рашковский предложил помещать на полюсах генератора поперечного поля последовательную обмотку возбуждения, которая включается в цепь тока I₂ и компенсирует основную часть намагничивающей силы реакции якоря от этого тока. Такая компенсационная обмотка позволяет облегчить обмотку возбуждения и уменьшить ее мощность, а также улучшить характеристики генератора.

Как нетрудно заметить, полярность генератора не зависит от направления вращения, что в случае параллельной работы с батареей является ценным свойством генератора.

Вагонные генераторы рассматриваемого типа строятся на напряжение U₂ = 50 В и на мощность до P = 5 кВт. Однако в последнее время вместо таких генераторов применяют генераторы переменного тока с полупроводниковыми выпрямителями, преимущество которых заключается в отсутствии коллектора.

Электромашинные динамометры

Электромашинные динамометры (менее удачные названия – балансирные машины или пендель-машины) служат для измерения вращающего момента двигателей внутреннего сгорания, а также электрических и других машин при их испытании. Электромашинный динамометр имеет две пары подшипников, на которые опираются якорь и индуктор (рисунок 6). Индуктор может поэтому свободно поворачиваться в пределах некоторого угла, ограниченного неподвижными упорами. Машина может работать как генератором, так и двигателем. При этом на индуктор передаются те же моменты вращения, которые действуют на якорь (электромагнитный момент, момент от механических и магнитных потерь). Момент, действующий на индуктор и равный моменту, действующему на якорь, измеряется с помощью прикрепленного к индуктору рычага и специальных весов или гирь. Таким образом, определяется момент, действующий на вал динамометра. При этом возникает лишь небольшая погрешность, вызванная трением в одной паре подшипников и силами, которые соответствуют части потерь на вентиляцию. Эту погрешность можно учесть отдельно.

Рисунок 6. Электромашинный динамометр
1 – якорь; 2 – полюсы; 3 – ярмо индуктора; 4 – подшипниковые щиты; 5 – подшипники "индуктор – подшипниковые стояки"; 7 – подшипниковые стояки

В СССР строились электромашинные динамометры постоянного тока серии МПБ мощностью до 8000 кВт. Электромашинные динамометры можно также изготовить на базе любого типа машины переменного тока.

Генераторы униполярных импульсов

Генераторы униполярных импульсов применяются для электроэрозионной обработки металлов и вырабатывают ток в виде кратковременных быстро чередующихся импульсов одинакового направления. Получение такого тока достигается путем использования полюсов с узкими полюсными наконечниками и обмотки якоря особого устройства.

Униполярные генераторы

Униполярные генераторы позволяют получать большой постоянный ток (до 500 кА) при низком напряжении (1 – 50 В).

Устройство одной из конструктивных разновидностей такого генератора показано на рисунке 7. Массивный стальной ротор 1 вращается в магнитном поле, которое создается неподвижными кольцевыми катушками обмотки возбуждения 2. Рабочий поток Ф в центральной, активной части машины имеет по всей окружности одинаковую полярность, откуда и происходит название машины. Обмоткой ротора является само массивное тело ротора. Электродвижущая сила E = B × l × v, индуктируемая в центральной, активной части ротора при его вращении в магнитном поле, также имеет по всей окружности одинаковое направление. Ток с ротора снимается с помощью неподвижных щеток 3.

Рисунок 7. Униполярный генератор

В униполярных генераторах возникают трудности отвода тока. При больших токах площадь щеточного контакта и число щеток очень велики. Щеточный аппарат получается громоздким, и в щеточном контакте возникают большие механические и электрические потери мощности.

В недалеком прошлом в связи с развитием специальных областей техники интерес к униполярным генераторам был высоким. При этом отвод тока с ротора осуществляли с помощью жидких металлов (ртуть, натрий, сплав натрия и калия). В связи с этим говорят о "жидкометаллических" щетках. Построены униполярные генераторы мощностью до 1000 кВт.

ИСТОЧНИК: ВОЛЬДЕК А. И., "ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ. УЧЕБНИК ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ" – 3-Е ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ – ЛЕНИНГРАД: ЭНЕРГИЯ, 1978 – 832С.

УНИПОЛЯРНЫЕ МАШИНЫ С ПОВЫШЕННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ

Униполярные машины, как было показано выше, являются низковольтными. В связи с этим термин повышенное напряжение является условным и характеризует машины, напряжение которых измеряется сотнями вольт.

Электродвижущая сила униполярной машины нормальной конструкции определяется скоростью вращения ротора и величиной полного магнитного потока. Механические нагрузки ротора, рост потерь в токосъемных устройствах, большие вес и габариты ограничивают возможности увеличения напряжения, только за счет выбора предельных значений окружной скорости ротора и магнитного потока. В настоящее время, когда для современных униполярных машин достигнуты высокие технико-экономические показатели, широко применяется последовательное соединение нескольких генераторов (до 6 шт., как это показано на рис. 1).

Представляет интерес рассмотреть возможные способы повышения напряжения за счет конструкции самой машины. Соответствующие попытки были сделаны уже в ранних униполярных генераторах. На рис. 19 эскизно показан способ повышения напряжения за счет последовательного электрического соединения изолированных между собой коаксиальных цилиндров, образующих ротор. На этом рисунке показано два цилиндра (третьим является вал). Последовательное включение щеток осуществляется системой соединительных стержней.

Рассмотренный способ был положен в основу проекта Неггерата, по которому американской Всеобщей компанией электричества был построен в 1904 г. генератор мощностью 300 кВт, напряжением 500 В при скорости вращения 3000 об/мин (рис. 20).

Цилиндрический якорь из литой стали охватывается стальным ярмом, выступы двух крайних кольцевых полюсов поддерживают катушки возбуждения (Е). Путь прохождения магнитного потока показан прерывистой линией. По окружности якоря размещены двенадцать изолированных стержней, каждый из которых присоединен к своей паре изолированных стальных колец Р’, Р. С помощью пары щеток S’, S и обратного проводника (R) образуется контур, который показан на рис. 21. При длине стержня ротора в 30 см (К’К) индуцируемая э.д.с. составляла 42 В. Система из двенадцати подобных контуров, соединенных последовательно, обеспечивала напряжение в 500 В.

Так как щетки разделяют кольца при вращении на две неравные изменяющиеся части между точками S и К, то в кольцах появляются колебания тока, которые обусловливают возникновение дополнительных потерь в массивных частях машин. Для уменьшения потерь предусматривается сдвиг на постоянные углы как точек присоединения стержней к своим кольцам, так и щеток на кольцах [79]. Реакцию тока, протекающего по якорю и кольцам, в рассматриваемой машине удалось достаточно хорошо скомпенсировать. В результате величина посадки напряжения от реакции стала близкой к величине падения напряжения на сопротивлении.

Испытания униполярного генератора Неггерата показали, что потери локализуются главным образом на щетках. При этом для тока 1300 A падение напряжения под щетками составляло 0,82В. Общие электрические потери были равны 28 кВт.

Впоследствии упомянутой компанией были построены несколько униполярных генераторов подобной конструкции (например, генератор на 2000кВт, 600В при 48 стержнях на роторе и 96 щетках). Усовершенствования коснулись главным образом способа вентиляции машин.

В последующие годы был изготовлен ряд униполярных генераторов с повышенным напряжением по проектам Ламме (1906 г.), Штейнметца (1907 г.), Томпсона (1907 г.), Барбура (1911 г.), авторы которых, однако, не внесли принципиально новых усовершенствований в конструкцию. Затем интерес к униполярным машинам в значительной мере пропал вплоть до 30-х годов двадцатого столетия.