SU58816A1 - Компенсированный однофазный сериесный коллекторный двигатель - Google Patents

Description

Компенсированный однофазный сериесный коллекторный

За влено 9 июл  1938 года в НКЭП за Л« 17535. Опубликовано 31  нвар  1941 года.

Предмет предлагаемого изобретени  составл ет компенсированный однофазный сериесный коллекторный двигатель того типа, у которого с одной стороны к  корю подводитс  нервичный ток (от сети) нри немощи щеток непосредственно и с другой стороны-при noMouiH расположенной на статоре вторичной обмотки возбуждени , питаемой током ротора. В витках  кор  между добавочными щетками индуктируетс  вторичный ток, причем , результирующего потока возбуждени  Ф1, возбум даемого совместным действием обмотки возбуждени  первичного тока и витками  кор , которым протекает вторичный ток, имеетс  еще перпендикул рно к нему расположенный магнитный поток Ф..

В особенности предлагаемое изобретение имеет в виду однофазные коллекторные сериесные двигатели того особого рода, у которых этот поток Ф полностью или частично возбуждаетс  обмоткой, питаемой вторичным током и расположенной перпендикул рно к первичной обмотке возбуждени , между тем как образовандвигатель .

ный в  коре первичным током магнитный поток при помощи компенсационной обмотки полностью или в больщей своей части уничтожаетс .

В этих мащинах трансформаторное напр жение , вызывающее искрение щеток, образуемое результирующим полем возбуждени  между кра ми щеток первичного тока в короткозамкнутых витках  кор , может быть в значительной своей части уничтожено. Принципиальную схему этого показывает фиг. 1.

Первичный ток I,-, протекает через обмотку возбуждени  1,  корь 3 между щетками 2 и 4, обмотку 5 дополнительных полюсов и через компенсационную обмотку 6. Вторичный ток L протекает через  корь .между щетками 7 и 8, поперечную обмотку 9 н через обмотку 10 дополнительного полюсй, расположенную на том же полюсе, что и обмотка 5. Если поперечный поток первичного тока в  коре полностью уничтожен компенсационной обмоткой 6, то векторна  диаграмма имеет форму, показанную на фиг. 2 чертежа.

Результирующий поток АВ (Ф) индуктирует между щетками 7 и 8 напр жение АЕ. Последнее уничтожаетс  напр жением DA, возникающим благодар  вращению  кор  в магнитном поле обмоток 9 и 10, и напр жением ED, возникающим вследствие самоиндукции этих обмоток.

При половинном числе оборотов точка D двигаетс  по полукругу до точки D, а при двойном числе оборотов до точки D. Соответственно этому, получаетс  положение вторичных токов СВ, СВ, и положение первичных токов АС, АС , АС. Токи 12 при возрастающем числе оборотов уменьщаютс  и по фазе отстают от АВ (Ф1). При этом они могут компенсировать, при помощи обмотки 10 добавочного полюса, напр жение, вызывающее искрение щеток и возбуждаемое потоком Ф1 в короткозамкнутой обмотке под щетками 2 и 4.

Если рассматривать АЕ как вектор напр жени , вызывающего искрение, то векторы DA, DA, соответствуют компенсирующим напр жени м, возникающим благодар  вращению соответствующей току 1з части потока добавочных полюсов, так что получаютс  только остаточные напр жени  ED, ED, ED.

Можно даже при нормальном числе оборотов получить полное уничтожение напр жени , вызывающего искрение. Это получаетс  в том случае, когда число витков в компенсационной обмотке 6 будет несколько меньще, так что поперечный поток Фз образуетс  совместным действием токов 1. и 1. В таком случае получаетс  показанное на фиг. 3 соотнощение величин. Часть поперечного потока Фо, возбуждаема  обмоткой 9, и часть потока добавочного полюса, возбуждаема  обмоткой 10, образуют между щетками 7 и 8 напр жение FG, обусловленное вращением, и напр жение EF, обусловленное индукцией. Часть поперечного потока Фз и потока добавочного полюса, возбуждаема  током fj, образует, вследствие вращени , напр жение НА, и.

вследствие индукции, напр жение СН. Вектор тока СВ перпендикул рен к ЛГв и поэтому ток 1-2 может образовать в обмотке 10 такую составл ющую потока добавочного полюса, котора  при нормальном числе оборотов полностью уничтожает напр жение, вызывающее искрение , напр жением, получающимс  при. вращении; при вс ком другом числе оборотов получаютс  только остаточные напр жени . Все это дало основание думать, что можно будет даже при числе периодов пор дка 50 в секунду примен ть результирующие, потоки возбуждени  такой же величины, какие в насто щее врем  применимы при 25 периодах, что дало бы возможность получить большие вращающие моменты, высокие напр жени  и целый р д других преимуществ и, тем не менее, иметь очень щирокие границы регулировани  числа оборотов.

Опыт показал, однако, что эти преимущества не только не могут быть использованы , но что мащина даже при относительно малых потоках Ф| и даже в узких границах числа оборотов имеет тенденцию к загр знению коллектора.

Практические испытани  и теоретические соображени  показывают следующее.

В короткозамкнутой обмотке под щетками 7 и 8 на середине полюсов также возникают напр жени , а именно: индуктивное напр жение от тока 12, напр жение вращени , обусловленное действием потока Ф1, и трансформаторное напр жение , вызывающее искрение щеток и обусловленное действием потока Ф2. Оба последних напр жени  взаимно приблизительно уничтожаютс  при определенном числе оборотов, а индуктивное напр жение от тока 12 может быть сделано малым , если мала сила тока 12.

При понижении числа оборотов, однако, поток Ф2 возрастает относительно потока Ф1 и наоборот, а поэтому на границах диапазона числа оборотов между образуемыми ими напр жени ми остаетс  довольно значительна  разность. К этому добавл етс  еще то, что при понижении числа оборотов ток Гз и индуктивное сопротивление также значительно увеличиваютс . Кроме того, Б витках, замыкаемых накоротко щетками 7 и.8, возникают напр жени  самоиндукции от потоков рассе ни , возбуждаемых обтекающим также и эти витки током 1 на своем пути от щетки 2 к щетке 4.

В этих витках индуктируютс  также напр жени  от тока Ij, протекающего по обмотке 5. Эти напр жени  также ухудшают коммутацию на вторичных щетках.

в результате всех перечисленных напр жений получаетс  сильное искрение щеток 7 и 8, которое уменьшаетс  лишь при соответственном уменьшении напр жени  двигател , токов и потока Ф.

Одной из проблем, которые необходимо разрешить дл  радикального улучшени  работы двигател ,  вл етс , поэтому, проблема нахождени  таких меропри тий, которые уничтожили бы перечисленные выше напр жени  полностью или по крайней мере в большей части. Вследствие этого стало бы возможным оп ть увеличить поток Ф| до величины, допустимой остаточнылги напр жени ми в витках, короткозамкнутых щетками 2 и 4. Имеютс , однако, случаи, когда достигнутое таким образом увеличение потока Ф, не может нас удовлетворить, например, если желателен такой широкий диапазон оборотов, что на границах его при больших значени х потока Ф| возникающие остаточные напр жени  под щетками 2 и 4 оказываютс  слишком большими, или там, где высшие гармоники потока Ф уже слишком сильно вли ют на коммутацию.

Поэто(у, дл  того, чтобы построить регулируемый в широких пределах однофазный сериесный двигатель с большими потоками на полюс при повышенных частотах , необходимо еще решить и вторую проблему, тесно св занную с первой, а именно:каким образом сделать возможным уничтожение или уменьшение остаточных напр жений под щетками 2 и 4 и каким путем уменьшить высшие гармоники потока.

Предметом предлагаемого изобретени   вл етс  така  комбинаци  технических меропри тий, при помощи которых предусматриваетс  доведение до очень малых остаточных значений различных напр жений , возникающих под щетками 7 и 8, так, чтобы поток Ф, мог быть увеличен до пределов, определ емых остаточными напр жени ми под щетками 2 и 4 и высшими гармониками его; эти последние остаточные значени  и высшие гармонические при этом сами по себе сильно уменьшаютс , так что указанные выше недостатки должны полностью уничтожитьс , вследствие чего получаетс  возможность сделать величину потока Ф) и диапазон регулировани  числа оборотов больше, чем у современных нормальных коллекторных двигателей.

Эги меропри ти  относ тс , с одной стороны, к коммутации под щетками 7 и 8 и заключаютс  в следующем.

Полюс, на котором расположена обмотка возбуждени  1, делитс  на две части и между ними вставл етс  дополнительный добавочный полюс. Затем принимаютс  меры к тому, чтобы уничтожилось намагничивающее действие oб ;0тки на добавочные дополнительные полюса. Это может быть достигнуто тем, что на добавочном полюсе помещаютс  ампервитки , намотанные в противоположных направлени х, или же тем, что осмотка 1 помещаетс  на обеих половинках полюса. Далее, на дополнительном добавочном полюсе помещаютс  еще пропорциональные току L ампервитки, которыми уничтожаетс  напр жение, образующеес  iipii вращении от потока, возбуждаемого в добавочном полюсе от тока I.

Поскольку поток Ф, возбуждаетс  совместным действием ампервитков токов и L,, то этим путем может быть уничтожено действие потока Ф, на . Однилги перечисленными меропри ти ми коммутаци -под щетками 7 и 8 не только не может сыть сделана удовлетворительной , но даже должна была бы ухудшитьс .

Как было описано применительно к схеме, изображенной на фиг. 1, напр жение вращени , образуемое потоком Ф, при определенном числе оборотов уничтожало возбуждаемое потоком Ф2 напр жение , вызывающее искрение щеток 7 и 8. Вследствие вышеуказанных меропри тий , это благопри тное действие, однако, отпадает. Поэтому, кроме них, необходихю дальнейшими меропри ти ми уничтожить и это напр жение как дл  случа , когла поток Фо возбуждаетс  только током Ig, так и дл  того стуча , когда поток Ф2 возбуждаетс  и током 1, и током Ц. Кроме того должно также быть уничтожено напр жение рассе ни  от тока 1, в короткозамкнутых витках  кор . Эти меропри ти  могут быть зстановлены на основании следующих соображений .

Можно разложить вектор тока I, который мы изобразим в -виде вектора АС, на пропорциональный потоку Ф; вектор АВ, который мы в дальнейшем будем называть составл ющей возбуждени  первичного тока, и на вектор ВС, который

мы будем называть компенсационной состав1 ющ ,ей первичного тока. Согласно предпагаемому изобретению, используетс  то обсто тельство, что компенсационна  составл юща  первичного тока приб (изительно перпендикул рна к направлению составл ющей возбуждении первичного тока и потока Ф;.

Если представим себе теперь у машины, согласно фиг. 1 и 2, соответствующее току Ii добавочное поле, уничтожающее реактивное напр жение первичного тока между 1цетками 2 и 4, а у машины, согласно фиг. 1 и 3, кроме того еще возбуждаемую током Ij часть потока Ф, разложенными на поле, образованное составл ющей возбз ждени  первичного тока, и на поле, образованное компенсационной составл ющей первичного тока, и если таким же путем разложим напр и{ение рассе ни , созданное током в короткозамкнутом витке, замкнутом щетками 7 и 8, то мы сможем напр жение искрени  первичного тока, возбуждаемого под щетками 7 и 8 от соответствующей части составл ющей возбуждени  первичного тока, очень точно уничтожить напр жением вращени , возникающим благодар  действию дополнительных пропорциональных току I, ампервитков, помещенных на добавочных полюсах щеток 7 и 8. Эго действие тем вернее, что при возрастающем числе оборотов и посто нном потоке Ф(, величина этих пропорциональных току I., ампервитков уменьщаетс , и поэтому возб окдаемое ими напр жение вращени  остаетс  более или менее посто нным , в то врем  как возбуждаемое составл ющей возбз/ждени  первичного тока напр жение, вызывающее искрение щеток, также остаетс  посто нным.

Остающиес  части трансформаторного напр жени , вызывающего искрение, индуктируютс  тогда, очевидно, образуемыми вторичным током или компенсационной составл ющей первичного тока, част ми потока добавочного полюса или потока Фи могут быть устранены тем, что при помощи омического сопротивлени  на добавочном полюсе щеток 7 и 8 образуетс  еще одна ампервиткова  составл юща , отстающа  примерно на 90 от ампервитков тока 12Так как эта составл юща  пропорциональна току 1 и индуктируемое ею напр жение вращени , поэтому,относительно

1-2 возрастает с числом оборотов, между тем как часть напр жени  искрени , которую оно должно компенсировать, пропорциональна Ij, то поэтому при повыщенных числах оборотов наступает перекоипенсаци , а при пониженных числах оборотов-недокомпенсаци . Аналогичное  вление известно у обыкновенных однофазных сериесных коллекторных двигателей , у которых напр жение, вызываюLuee искрение щеток, компенсируетс  включением омического сопротивлени  параллельно обмотке добавочного полюса. Поэтому необходимо, чтобы соответствующим подбором числа витков поток Ф получил такую величину, при которой он образует допустимое по величине трансформаторное напр жение, как у обыкновенных двигателей при 25 пер/сек во врем  хода на границах диапазона регулировани . Подход щим дл  этого средством  вл етс  помещение на статоре коаксиально с обмоткой 1, пронизываемой полем Ф-2 обмотки 11, через которую протекает ток L, (фиг. 4). Это позвол ет подобрать сумму индуктируемых потоком Ф; в этой обмотке и между щетками 7 и 8 напр жений таким образом, чтобы поперечное поле Ф2, которое напр жением вращени  должно уничтожить эти напр жени , имело как раз требуемую величину.

Различные описанные группы пропорциональных токам I; или 1„ ампервитков на добавочных полюсах щеток 7 - 8 могут быть получены, разумеетс , просто помещением соответствующих обмоток, по которым будут протекать соответствующие токи, и включением омического сопротивлени  параллельно к виткам, по которым протекает ток 12.

Однако, тот же эффект может быть достигнут, на основании нижеследующих соображений, соверщенно другой схемой со значительной экономией меди. Если мы рассмотрим фиг. 2 или 3,« то увидим, что дл  выщеупом нутого уничтожени  действи  потока Ф1 (вектор АВ) на добавочный полюс потребуютс  ампервитки,

соответствующие вектору АС, и ампервитки , соответствующие вектору СВ.

Расход меди пропорционален, таким образом, алгебраической сумме этих векторов , между тем как в действительности требуютс  только ампервитки соответственко величине их геометрической суммь;, т. е. во много раз меньше.

Этого излишнего расхода меди можно, согласно предлагаемому изобретению, избежать, образу  все перечисленные группы ампервитков витками, через которые протекает ток 1з, имеющий такую величину и фазу, чтобы число его ампервитков как раз соответствовало геометрической сумме требующихс  ампервитков. При этом схема получаетс  на основании следуюш.их соображений. Представим себе на добавочном полюсе щеток 7 и 8 короткозамкнутую обмотку 12 (фиг. 5). Если обмотка возбуждени , как показывают фиг. 1 и 4, намагничивает также то место, где находитс  добавочный полюс, то, если бы короткозамкнута  обмогка не имела рассе ни , в ней возник бы ток 1з, который преп тствовал бы проникновению в добавочный полюс как потока, образуемого обмоткой 1, так и потока, образуемого током I, в витках  кор  между щетками 7 и 8. Но вследствие рассе ни  некотора  часть этого потока, частью пропорциональна  току Ij и частьо току Ь, проникает в добавочный полюс. Если же включить в цепь короткозамкнутой обмотки 12 добавочного полюса еще несколько витков, сопр женных с потоком, пропорциональным току Ij, и несколько витков сопр женных с потоком, пропорциональным току 12, то можно добитьс  того, чтобы добавочный полюс был свободен от пол . Включив в цепь еще несколько витков, сопр женных с потоком, приблизительно соответствующим положению фазы тока,, и параллельно этим виткам омическое сопротивление , можно получить TOKl;i такой величины и фазы, чтобы он образовал геометрическую сумму требующихс  групп ампервитков. Так как, однако, витки обмотки 1 сопр жены с потоком, который пропорционален частью току 1, и частью току la и с другой стороны, обмотка 6 сопр жена с потоком, который по фазе занимает приблизительно положение тока 1, то мы можем получить желательныйэффект,включив соответствующее число витков обмотки 1 в цепь обмотки 12 и одновременно включив параллельно включенным виткам обмотки 6 омическое сопротивление 13 (фиг. 5).

Вышеописанным образом можно устранить причины, ухудшающие коммутацию под щетками 7 и 8.

С другой стороны, часть вышеупом нутых меропри тий относитс  к коммутации под щетками 2 и 4 и заключаетс  в том, чтобы упом нутые выше остаточные напр жени  под щетками 2 и 4 в большей своей части были уничтожены. Это может быть достигнуто, с одной стороны , включением омического сопротивлени  14 (фиг. 6) параллельно к обмотке 9 (фиг. 1). Тогда вектор тока (Ь -U) 3 обмотке 9 отстает во времени от вектора тока 1-2 на определенный угол. Если сделать этот угол равным углу DAE на фиг. 2, то ток (1,) будет, очевидно, иметь направление Виктора СВ и ток в обмотке 10 будет иметь направление,перпендикул рное к АВ, но тогда, согласно вышеизложенному, об.мотка 10 будет в состо нии полностью уничтожить возбуждаемое потоком трансформаторное напр жение под щетками 2 и 4.

Того же самого возможно достигнуть при помощи маленького враиующегос  вхолостую однофазного асинхронного двигател  с  корем в виде беличьего колеса, как это часто примен етс  в рекуперациониых схемах. Основна  иде  этого состоит в следующем

Есш будем пропускать (фиг. 7) через работающий вхолостую двигатель 14 ток 2, то можно получить между отстающими друг от друга на определенный угол зажимами ток Is, пропорциональный ток} Ij, но опережающий его на некоторый угол. Пусть это будет угол DAE (фиг. 2).

Если пропускать этот ток J;,, вместо тока Ь, через обмотку 10, то получим соотношени  по фиг. 8, т. е. при нормальном числе оборотов напр жение искрени  АЕ будет совершенно уничтожатьс  компенсационным напр жением DA. При удвоенном числе оборотов получаетс  отрицательное остаточное напр жение , а при половинном числе оборотов положительное остаточное напр жение DE.

Можно, однако, в значительной степени уничтожить и эти остаточные напр жени , если прин ть во внимание упоминавшийс  выше факт, что составл юща  возбуждени  первичного тока пропорциональна вектору АВ и сдвинута по фазе относительно вектора тока 1о приблизительно на 90°.

Создава  в ансинхронном двигателе изменением вышеуказанного угла между

зажимами тока Ig и зажимами тока 12 дополнительное смещение тока Is, мы можем представить себе его действие на добавочный полюс, в отношении возбуждени  компенсационных напр жений, разложенным на напр жени , согласно фиг. 8, и на перпендикул рн)ю к ним составл ющую напр жени  посто нной величины KL, KL, (фиг. 8). Представим себе, С другой стороны, добавочный полюс щеток 2 и 4 с дополнительно возбуждаемыми обмотками, по которым протекает ток la, и обмотками, по которым протекает Ь. В таком случае мы можем, согласно вышеизложенному,  ри соответствуюи 1ем подборе числа витков , достигнуть того, чтобы возбужденна  ими, благодар  вращению, составл юща  напр жени  МК при среднем числе оборотов имела такое положение, как если бы она была возбуждена составл ющей возбуждени  первичного тока. т. е. была параллельна KL.

Если мы сделаем вектор МК противоположным KL по направлению и приблизительно равным ему по величине, то при среднем числе оборотов сумма этих

напр жений будет равна ML (приблизительно равна нулю), т е. при среднем числе оборотов остаетс  такое же полное компенсирование напр жени , вызывающего искрение щеток, как и дл  фиг. 3 и 5. При удвоенном числе оборотов напр жение МК возрастает на K.L, которое противоположно остаточному напр жению .

При половинном числе оборотов напр жение МК падает до М К так, что возникает остаточное напр жение, противоположное остаточному нагф жению . Это дает, таким образом, возможность как у машин по схеме фиг. 3, так и у мащин по схеме фиг. 5, еще более понизить остаточные напр жени  и этим сильно повысить величину потока Ф и мощность на каждый полюс, а также увеличить диапазон регулировани  числа оборотов.

Только что перечисленные напр жени  (имеющие место в короткозамкнутом щетками 2 и 4 витке) обладают тем свойством , что они не точно пропорциональны реактивному напр жению от тока Ig во вторичном контуре тока, создаю.щему

в первую очередь упом нутые остаточные напр жени .

Следующий путь позвол ет, однако, включить полностью пропорциональную этой реактивной э. д. с. и пр мо ей противоположную э. д. с. и тем самым в еще большей мере достигнуть желаемого эффекта, а именно: если упом нутые ранее обтекаемые током Ij витки, которые, в соответствии с изобретением употребл ютс  дл  уничтожени  намагничивающего действи  тока I на добавочный полюс щеток 7 и 8, уложить в те же пазы, где наход тс  витки, которые употребл ютс  дл  зничтожени  намагничивающего действи  обтекаемых током lo витков на тот же добавочный полюс, то ток Ii, вследствие наличи  потока рассе ни  в пазу, возбуждает некоторое напр жение во вторичном контуре тока.

Вектор этого напр жени  расположен таким образом, что тот компонент, который индуцирован компенсирующим компонентом тока Ii, направлен пр мо противоположно вредному реактивному напр жению , возникающему во вторичном контуре из-за тока Ь. Этим путем получаетс  уменьшение этого вредного напр жени . При этом, однако, необходимо витки первичного тока поместить дальше от воздушного зазора.

Тот же эффект получаетс , если поместить обмотку 9 в те же пазы, что и обмотку 6, а обмотку 10 в те же пазы, что и обмотку 5, оп ть таки дальше от воздушного зазора.

Что касаетс  высших гармоник, то они могут быть сильно уменьшены следующим образом: прини.ма , что поток Ф) вследствие , например, пазовых пульсаций или вследствие насыщени  содержит высшие гармоники, в контуре вторичного тока под вли нием каждой отдельной гармоники возникают напр жени  и токи, представленные принципиально на фиг. 2, если

под вектором АС понимать соответствующую гармонику потока. Однако, вследствие высокой частоты гармоник, векторы , DE, DE гораздо больше векторов , DA, DA, а поэтому токи АС, АС , АС очень сильно демпфируют высшие гармоники. При этом демпфирующее действие этих токов тем больше, чем меньше импеданц во вторичном контуре тока.

Таким образом, описанные ранее мерепри ти  по размещению различных обмоток первичного тока, с целью уменьшени  реактанца вторичного контура, вопределенные пазы также приспособлены и дл  уменьшени  высших гармоник.

Впрочем, если даже нельз  или нежелательно уменьшать импеданц вторичного контура тока Д1  сетевой частоты, все же можно его сильно уменьшить дл  высших гармоник, а именно: можно дл  этой цели использовать тот факт,что высшие гармоники имеют более высокую частоту. Необходимо включить между точками 7 и 8 или между другими целесообразно выбранными точками некоторое относительно большое омическое сопротивление. Тогда это последнее в отношении высших гармоник действует так, как если бы остальные реактанцы вторичной обмотки были закорочены и как если бы, например , осталось только напр жение рассе ни  ротора.

Предмет изобретени .

Claims (4)

1. Компенсированный однофазный сериесный коллекторный двигатель с расщепленными полюсами дл  частоты свыше 25 герц, снабженный вторичной поперечной обмоткой возбуждени  на статоре, питаемой током ротора, отличаюш ,ийс  тем, что, с целью улучшени 

коммута ;ии, первична  обмотка возбуждени  разделена на две части и помещена на расщепленных полюсах, между которыми наход тс  дополнительные полюса с обмоткой, намотанной в обратном направлении по отношению к первичной обмотке возбуждени .

2.Форма выполнени  двигател  по п. 1, о т л и ч аю щ а   с   тем, что последовательно с добавочной обмоткой возбуждени  1, питаемой током ротора и уложенной коаксиально с первичной обмоткой возбуждени , включены добавочна  обмотка 10, уложенна  на дополнительных полюсах, и поперечна  обмотка возбуждени  9, уложенна  в тех же пазах, что и основные-добавочна  1 и компенсационные обмотки 5 и 6.

3.Форма выполнени  двигател  по пп. 1 и 2, отличающа с  тем, что параллельно первичной обмотке возбуждени  1 и компенсационной обмотке 6 включены добавочна  обмотка 12, намотанна  на добавочных полюсах, и омическое сопротивление 13.

4.Форма выполнени  двигател  по пп. 1, 2 и 3, отличающа с  тем, что на добавочных полюсах уложена дополнительна  обмотка 10, питаема  от вращающегос  вхолостую короткозамкнутого однофазного асинхронного двигател , включенного последовательно с поперечной обмоткой 9.

I II

11Г г.

U.

Ь I

U i

М

& ,i k-:.o,.

iи

s

a

- /