Специальные машины постоянного тока 47

14. Машины постоянного тока с полупроводниковыми
коммутаторами
Коллектор и щеточный аппарат машины постоянного тока составляют узел, вызывающий трудности при проектировании, изготовлении и эксплуатации ма­шины. Отсюда вытекает желание заменить этот узел бесконтактным коммутатором тока, что возможно осуществить с помощью управляемых электрических венти­лей, в особенности полупроводниковых.
Построить электромашинный источник постоянного тока без механического коллектора нетрудно. Для этой цели можно использовать синхронный генератор в сочетании с полупроводниковым выпрямителем постоянного тока. Поэтому основной задачей является создание двигателей постоянного тока с полу­проводниковыми коммутаторами. Возможны две разновидности таких двигателей. В обеих разновидностях обмотка якоря вместе с полупроводниковым коммута­тором располагается на неподвижной части машины (статоре), а индуктором является ротор машины. При этом на роторе размещаются полюсы в виде постоян­ных магнитов или возбуждаемые постоянным током через контактные кольца. В первом случае двигатель полностью лишен скользящих электрических кон­тактов (бесконтактный двигатель).
На рис. 24 схематически изображен двигатель, в котором применяется такая же замкнутая обмотка якоря 1, как и у обычных машин постоянного тока.
Для простоты на рис. 24 представлен двухполюсный двигатель с малым коли­чеством секций в обмотке якоря. Роль коллекторных пластин и щеток здесь играют управляемые полупроводниковые вентили—тиристоры 1', 1", 2', 2" и т. д., соединяющие обмотку якоря 1со сборными шинами 2. Шины 2, в свою очередь, присоединяются к сети постоянного тока.
В положении ротора 3, изображенном на рис. 24, ток должны проводить тиристоры групп 2' — 2" и 6' — 6". Предположим, что ток проводят тиристоры 2' и 6". Тогда ток распределится по обмотке якоря так, как показано на рис. 24. Пусть при этом создается поток реакции якоря , направление которого также показано на рис. 24. Тогда возникнет электромагнитный мо­мент М, под воздействием которого ротор будет поворачиваться по часовой стрелке. После поворота ротора на оборота необходимо отключить тиристоры 2', 6" и включить тиристоры 3', 7", затем после поворота ротора на оборота — включить тиристоры 4', 5" и т. д. В результате такого согласованного с вращениемроторапереключениятиристороврассматриваемаямашинаработает подобно нормальной машине постоянного тока и имеет такие же характе­ристики.
Включение и отключение тиристоров производится посредством подачи на их управляющие электроды импульсов электрического напряжения с соответствую­щей длительностью. Эти импульсы вырабатываются специальным устройством, реагирующим на положение ротора (на рис. 24 не показано). В простейшем случае такое устройство состоит из вспомогательного постоянного магнита, укрепленного на роторе двигателя, и из укрепленных на статоре, по его окружности, катушек, число которых равно числу секций якоря. Постоян­ный магнит при вращении ротора индуктирует поочередно в катушках э. д. с, которые подаются на управляющие электроды.
При большом числе секций двигатель рассматриваемого типа обладает хорошими свойствами, однако при этом требуется большое количество тиристоров и сложное устройство управления ими. Поэтому в на­стоящее время преимущественно применя­ются двигатели со схемой, изображенной на рис. 25.
В верхней части рис. 25 изобра­жена схема полупроводникового коммута­тора, а в нижней части — схематическое устройство двигателя с 2р = 2. На ста­торе этого двигателя имеются три обмотки («фазы») А, В, С, сдвинутые по окружно­сти не 120°. Устройство этих обмоток ана­логично устройству обмоток якоря машин переменного тока. Каждая из обмоток при питании ее током создает маг­нитный поток, действующий по ее оси, и поэтому потоки отдельных обмоток также сдвинуты на 120°.
Одновременно питаются током все три обмотки, притом направления токов в них поочередно меняются в такой последовательности, как показано па рис. 25, a.Из этого же рисунка становится ясным, как при этом поворачивается в простран­стве магнитное поле обмотки якоря. В ре­зультате взаимодействия магнитного поля и индуктора последний будет пово­рачиваться вслед за полем якоря. Управление полупроводниковым коммутато­ром осуществляется по такому же принципу, как и у двигателя, рассмотрен­ного выше.
Отметим, что коммутатор, изображенный на рис. 25, в сущности является полупроводниковым инвертором, преобразовывающим постоянный ток в трех­фазный переменный ток.
На рис. 25, б представлены идеализированные кривые тока в «фазах» обмотки. Цифрами 1—6 на этом рисунке указаны интервалы времени, которые соответствуют позициям 1—6 на рис. 25, а. В действительности благодаря сглаживающему влиянию индуктивностей обмотки форма кривых тока прибли­жается к синусоидальной.

Рис. 24. Схема двигателя постоянного тока с полупроводниковым коммутатором и с обмоткой якоря типа обмотки переменного тока

Рис. 25. Последовательность направлений токов в «фазах» обмотки якоря двигателя по схеме рис. 11-14 (а) и идеализированные формы кривых тока в «фа­зах» обмотки якоря (б)

На основании изложенного представленная на рис. 24 машина является сущности трехфазной синхронной машиной, которая пи­тается через трехфазный инвертор тока. Однако она обладает всеми свойствами обычной коллекторной машины постоянного тока по той причине, что питание ее обмотки якоря током производится в функции угла поворота ротора так же, как в обычной машине постоянного тока.