книги из ГПНТБ / Жуленев В.В. Вращающиеся преобразователи материалы лекций
.pdf
ВЫСШЕЕ ВОЕННО-МОРСКОЕ ОРДЕНА ЛЕНИНА КРАСНОЗНАМЕННОЕ
ОРДЕНА УШАКОВА УЧИЛИЩЕ имени М. В. ФРУНЗЕ
В. В. ЖУЛЕНЕВ
ВРАЩАЮЩИЕСЯ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
(Материалы лекций)
ЛЕНИНГРАД
1968
В учебном пособии излагаются основные сведения о вра щающихся преобразователях, применяющихся в настоящее время на кораблях ВМФ.
Рекомендуется для курсантов высших военно-морских командно-инженерных учебных заведений и может быть ис пользовано при изучении раздела «Вращающиеся преобразо ватели» по курсу «Спецэлектротехника и электрооборудова ние кораблей».
I" |
ВУБЛИЧНл.-- |
|
|
>техн* г- • |
|
|
|
|
..- .-!ИрНгМЛ V |
|
к |
|
7 - |
I |
|
|
|
В В Е Д Е Н И Е
На кораблях и береговых объектах электрическая энер гия генерируется в виде переменного или постоянного тока определенных параметров. Но для ряда потребителей часто бывает необходим ток, отличный от основного генерируемого тока. Так например: на кораблях с генераторами перемен ного тока, где основным родом тока является 3-х фазный пе ременный ток, для питания специального устройства (СУ), эхолота, радиоустановок, зарядки аккумуляторов и ряда других устройств необходим постоянный ток различного на пряжения. На кораблях же с генераторами постоянного тока необходим переменный ток различных параметров или по стоянный ток, но другого напряжения.
Следовательно, на кораблях и ряде береговых объектов должны быть специальные устройства, предназначенные для превращения электрической энергии одних параметров в электрическую энергию других параметров, т. е. отличаю щихся либо числом фаз, либо родом тока, либо частотой, либо величиной напряжения, либо одновременно несколь кими параметрами. Такие устройства называются преобразо вателями. Существует множество типов преобразователей электрической энергии: трансформаторы, мотор-генераторы, вибрационные, одноякорные, ртутные выпрямители, газона полненные выпрямители, полупроводниковые выпрямители и другие.
Все преобразователи подразделяются на две основные группы: вращающиеся и статические.
Под вращающимися преобразователями понимаются элек трические машины, служащие для преобразования перемен ного тока в постоянный и постоянного тока в переменный,
атакже для преобразования напряжения постоянного тока.
Кэтой же группе относятся и механические преобразователи типа вибропреобразователей.
3
К статическим преобразователям относятся электронноионные приборы, предназначенные для преобразования пе ременного тока в постоянный. Эти преобразователи часто называются еще и выпрямителями или вентилями.
ВРАЩ АЮ Щ ИЕСЯ П РЕО БРАЗО ВАТЕЛИ
§ 1. Двигатель-генераторы
Двигатель-генератором называется агрегат, состоящий из двух или нескольких механически связанных электрических машин, служащих для преобразования одного рода электри ческой энергии в другой. Такие преобразователи применяются как для преобразования переменного тока в постоянный, так и постоянного тока в переменный.
Если двигатель-генератор служит для преобразования переменного тока в постоянный, то он состоит из двигателя переменного тока — синхронного или асинхронного и од ного или более генераторов постоянного тока, механически соединенных на одном валу с двигателем.
Если двигатель-генератор предназначен для преобразова ния постоянного тока в переменный, то в качестве двигателя используется, как правило, электродвигатель смешанного возбуждения, а в качестве генераторов — однофазные и трех фазные синхронные генераторы.
Двигатели-генераторы могут также применяться для пре образования постоянного тока одного напряжения в постоян ный ток другого напряжения.
Во всех перечисленных случаях преобразования двига тель и генератор (генераторы) электрически между собой не связаны, и электрическая схема включения агрегата пред ставляет собой соединение обычных схем для соответствую щих машин переменного и постоянного токов, входящих в агрегат.
В двигатель-генераторном агрегате имеются следующие ступени преобразования энергии: электрическая энергия, по требляемая двигателем из сети, преобразуется в механиче скую, затем механическая энергия двигателя передается на вал генератора и в генераторе преобразуется в электриче скую энергию.
Отсутствие электрической связи между машинами позво ляет выбирать независимо параметры каждой из них и осу ществлять преобразование не только рода тока, но и напря жение, число фаз и частоту.
Двигатель-генератор надежен в эксплуатации, прост по обслуживанию, но имеет ряд недостатков: он дорогостоя-
4
щий, занимает сравнительно много места, имеет относитель но низкий к.п.д., так как к.п.д, агрегата равен произведению к.п.д. электродвигателя и генератора, то есть т)агр — •i}r.
Несмотря на указанные недостатки, двигатель-генераторы широко распространены на береговых объектах и на кораб лях флота.
§ 2. Одноякорные преобразователи
Одноякорным преобразователем называют электрическую машину с одним якорем и системой возбуждения постоян ного тока, которая предназначена для преобразования элек трической энергии одних параметров в электрическую энер гию других параметров.
Одноякорный преобразователь в пазах якоря может иметь одну или несколько независимых обмоток.
В радиотехнике одноякорные преобразователи с несколь кими независимыми обмотками получили широкое распро странение под названием умформеров.
Умформеры
Умформерами называются электрические машины по стоянного тока, преобразующие постоянный ток низкого на пряжения в постоянный ток повышенного напряжения. Р а диоумформер обычно получает питание от аккумуляторной батареи накала (низкое напряжение) и на выходе дает высо кое напряжение, необходимое для питания анодных и сеточ ных цепей радиостанций, требующих относительно высоких напряжений.
По устройству умформер представляет комбинацию элек тродвигателя и генератора постоянного тока в одной ма шине. В пазы якоря укладываются две электрически не свя занных между собой обмотки электродвигателя и генератора, каждая из которых соединяется со своим коллектором (рис. 1). Обмотка возбуждения обычно параллельная, общая для двигателя и генератора, питается от источника низкого напряжения. При подаче напряжения от постоянного источ ника преобразователь приходит во вращение как обычный электродвигатель параллельного возбуждения. При этом в генераторной обмотке, которая вращается в том же магнит ном поле, что и обмотка электродвигателя, индуктируется э.д.с. как в обычном генераторе параллельного возбуждения.
Уравнения электрического равновесия соответственно для электродвигателя и генератора могут быть записаны так:
U \ |
—E \ + l ir \ |
I |
|
|
U2 |
—E2 — h r2 , |
( |
|
|
где Е 1 — обратная э.д.с., |
наводимая |
в обмотке электродви |
||
гателя; |
|
|
|
|
Е2‘ — э.д.с., наводимая |
в обмотке |
генератора. |
||
Рис. I: а — схема и б — рабочие характеристики умформера
Характерной особенностью умформеров является, во-пер вых, то, что магнитный поток машины с изменением нагрузки практически не изменяется. Объясняется это тем, что токи, протекающие в обмотках якоря, имеют различное направ ление, вследствие чего их магнитные поля взаимно компен сируются и реакция якоря автоматически устраняется. Во-вторых, регулировать напряжение изменением числа оборотов или изменением тока возбуждения невозможно, так как умформер имеет одну магнитную систему.
Разновидностью обычных умформеров являются трехкол лекторные (каскадные) умформеры. Такие машины имеют три коллектора и, соответственно, три якорные обмотки. Одна обмотка и один коллектор принадлежат электродвига телю низкого напряжения, а две обмотки и два коллектора — генераторам повышенного напряжения. Коллекторы повы шенного напряжения соединены между собой каскадно, а об
6
мотки оказываются соединенными между собой через кол лекторы последовательно (рис. 2). Такие умформеры дают возможность получить два повышенных напряжения: напря жение с каждого коллектора и сумму их напряжений. На пример, умформер серии РУК-300 имеет Uj = 26 вольт и t/г — 750/1500 вольт.
Рис. 2. Схема каскадного умформера
Для умформеров небольшой мощности допускается пря мое включение в сеть постоянного источника питания. К.п.д. умформеров низкий, порядка 0,3—0,5, что объясняется отно сительно большими потерями холостого хода.
Однообмоточный одноякорный преобразователь
Одноякорный преобразователь может иметь одну обмотку на якоре, В этом случае он представляет собой машину по стоянного тока с коллектором с одной стороны якоря и ма шину переменного тока с кольцами с другой стороны якоря Коллектор соединяется с обмоткой якоря как в обычной ма шине постоянного тока. Контактные кольца, расположенные на валу машины, соединяются с точками обмотки якоря, равноотстоящими друг от друга по ходу обмотки якоря.
Число контактных колец преобразователя зависит от числа фаз переменного тока. Для однофазного тока необхо димы два кольца и точки присоединения их к обмотке якоря должны быть сдвинуты на 180°, а для трехфазного тока должно быть три кольца и точки присоединения их к об мотке якоря должны быть сдвинуты на 120° друг от друга.
I
На рис. 3 приведена принципиальная схема устройства трехфазного преобразователя с одной обмоткой на якоре.
Рис. 3. Трехфазный одноякорный преобразователь
Принцип действия однообмоточного одноякорного пре образователя основан на свойстве якорной обмотки при вра щении ее в неподвижном магнитном поле давать одновре менно на коллекторе постоянное напряжение, а на кольцах переменное.
Одноякорный преобразователь может работать в сле дующих режимах:
а) со стороны постоянного тока — двигателем, тогда с ко лец можно снимать переменное напряжение;
б) со стороны переменного тока — синхронным двигате лем, тогда со стороны коллектора можно снимать постоян ное напряжение;
в) если же якорь машины вращать посторонним приво дом, то со стороны коллектора можно снимать постоянное напряжение, а со стороны колец — переменное, т. е. одно якорный преобразователь может работать в режиме гене ратора двойного тока.
Такие генераторы двойного тока типа «Микст» были уста
новлены на наших линкорах. |
' |
К.п.д. однообмоточного одноякорного преобразователя |
|
выше, чем к.п.д. обычного двигателя |
постоянного тока. |
Объясняется это тем, что при работе преобразователя по его обмотке якоря проходят одновременно два тока: постоянный и переменный. Если постоянный ток двигательный, то пере менный ток генераторный, а следовательно, и направлен он
8
встречно. По обмотке якоря проходит ток, равный их раз ности (рис. 4).
Рис. 4. Кривые токов одноякорного преобразователя
Среднее значение тока за полупериод значительно мень ше значения одного постоянного или одного переменного тока. Это и является причиной того, что к.п.д. преобразова теля высокий и достигает значения 95%.
Существенным недостатком одноякорного преобразова теля с одной обмоткой на якоре является строго постоянное соотношение между напряжениями со стороны постоянного и переменного токов, зависящее от числа фаз преобразова теля. Действующее значение напряжения со стороны пере менного тока всегда меньше напряжения со стороны постоян ного тока. Так, зависимость между переменным и постоян ным напряжениями будет:
а) для однофазного переменного тока: U~ =0,707 (/=,;
б) для трехфазного переменного тока: U~ =0,612 t/„.
Соотношение между напряжениями определяется из мно гоугольника э.д.с., который можно построить, исходя из схе мы якорной обмотки, показанной на рис. 3.
Предположим, что обмотка состоит из 12 секций, равно мерно расположенных по окружности якоря со двигом каж
дая относительно соседней на угол ^ = 3 0 ° . Амплитуда
э.д.с. каждой секции изображается вектором, в результате
9