Сегодня, как в промышленности, так и в гражданской сфере, есть немало установок, электроприводов, технологий, где для питания требуется не переменное, а постоянное напряжение. К таким установкам относятся различные промышленные станки, строительное оборудование, двигатели электротранспорта (метро, троллейбус, погрузчик, электрокар), и другие установки постоянного тока разного рода.

Напряжение питания для некоторых из этих устройств должно быть изменяемым, чтобы например изменяющийся ток питания электродвигателя приводил бы к соответствующему изменению скорости вращения его ротора.

Один из первых способов регулировки постоянного напряжения — регулирование при помощи реостата. Затем можно вспомнить схему двигатель — генератор — двигатель, где опять же регулированием тока в обмотке возбуждения генератора достигалось изменение рабочих параметров конечного двигателя.

Но эти системы не экономичны, они считаются устаревшими, и гораздо более современными являются схемы регулирования на базе тиристоров. Тиристорное регулирование более экономично, более гибко, и не приводит к увеличению массо-габаритных параметров установки целиком. Однако, обо всем по порядку.

Реостатное регулирование (регулирование при помощи добавочных резисторов)

Регулирование при помощи цепи последовательно соединенных резисторов позволяет изменять ток и напряжение питания электродвигателя путем ограничения тока в его якорной цепи. Схематически это выглядит как цепочка добавочных резисторов, присоединенных последовательно к обмотке двигателя, и включенных между ней и плюсовой клеммой источника питания.

Часть резисторов может быть по мере надобности шунтирована контакторами, чтобы соответствующим образом изменился ток через обмотку двигателя. Раньше в тяговых электроприводах такой метод регулирования был распространен весьма широко, и за неимением альтернатив приходилось мириться с очень низким КПД в силу значительных тепловых потерь на резисторах. Очевидно, это наименее эффективный метод — лишняя мощность просто рассеивается в виде ненужного тепла.

Регулирование по системе двигатель — генератор — двигатель

Здесь напряжение для питания мотора постоянного тока получается на месте, при помощи генератора постоянного тока. Приводной мотор вращает генератор постоянного тока, который и питает в свою очередь мотор исполнительного механизма.

Регулирование рабочих параметров двигателя исполнительного механизма достигается путем изменения тока обмотки возбуждения генератора. Больше ток обмотки возбуждения генератора — большее напряжение подается на конечный двигатель, меньше ток обмотки возбуждения генератора — меньшее напряжение, соответственно, подается на конечный двигатель.

Данная система, на первый взгляд, более эффективна, чем просто рассеивание энергии в виде тепла на резисторах, однако и она отличается своими недостатками. Во-первых, система содержит две дополнительные, довольно габаритные, электрические машины, которые необходимо время от времени обслуживать. Во-вторых, система инерционна — соединенные три машины не в состоянии резко изменить свой ход. В результате снова КПД получается низким. Однако, на протяжении некоторого времени такие системы использовались на заводах в 20 веке.

Метод тиристорного регулирования

С появлением во второй половине 20 века полупроводниковых приборов, появилась возможность создания малогабаритных тиристорных регуляторов для двигателей постоянного тока. Двигатель постоянного тока теперь просто подключался к сети переменного тока через тиристор, и, варьируя фазу открывания тиристора, стало возможным получить плавное регулирование скорости вращения ротора двигателя. Этот метод позволил совершить рывок в подъеме КПД и быстродействия преобразователей для питания моторов постоянного тока.

Метод тиристорного регулирования и сейчас используется, в частности, для управления скоростью вращения барабана в автоматических стиральных машинах, где в качестве привода служит коллекторный высокооборотный мотор. Справедливости ради отметим, что аналогичный метод регулирования работает и в тиристорных диммерах, способных управлять яркостью свечения ламп накаливания.

Регулировка на базе ШИМ со звеном переменного напряжения

Постоянный ток при помощи инвертора преобразуется в переменный ток, который затем при помощи трансформатора повышается или понижается, после чего выпрямляется. Выпрямленное напряжение подается на обмотки электродвигателя постоянного тока. Возможно дополнительное импульсное регулирование посредством ШИМ-модуляции, тогда достигаемый эффект на выходе несколько похож на тиристорное регулирование.

Наличие трансформатора и инвертора в принципе приводит к удорожанию системы в целом, однако современная полупроводниковая база позволяет строить конверторы в виде готовых малогабаритных устройств с питанием от сети переменного тока, где трансформатор стоит высокочастотный импульсный, и в итоге габариты получаются небольшими, а КПД уже достигает 90%.

Импульсное управление

Система импульсного управления моторами постоянного тока похожа по своему устройству на импульсный DC-DC преобразователь. Этот метод является одним из наиболее современных, и именно его используют сегодня в электрокарах и внедряют в метро. Звено понижающего преобразователя (диод и дроссель) объединено в последовательную цепь с обмоткой мотора, и регулируя ширину подаваемых на звено импульсов, добиваются требуемого среднего тока через обмотку мотора.

Такие импульсные системы управления, по сути — импульсные преобразователи, отличаются более высоким КПД — более 90%, и обладают отличным быстродействием. Здесь открываются широкие возможности для рекуперации электроэнергии, что весьма актуально для станков с большой инерционностью и для электрокаров.

Источник

Регулировка напряжения и ограничение силы тока генератора

Карягин А. В. Соловьев Г. М.

Напряжение на щетках генератора зависит от числа оборотов якоря. Поэтому при большом числе оборотов коленчатого вала двигателя напряжение генератора может превысить расчетную величину, что вызовет перегорание ламп и тонких обмоток приборов, а также сильное увеличение зарядного тока аккумуляторной батареи. Постоянное напряжение генератора поддерживают электромагнитные регуляторы напряжения.

Кроме регулятора напряжения, необходим также ограничитель тока, так как даже при постоянном напряжении ток, отдаваемый генератором во внешнюю цепь, меняется в зависимости от сопротивления этой цепи. Чем больше включено потребителей (нагрузка генератора), тем меньше сопротивление этой цепи (цепь параллельная) и тем больше, следовательно, ток, отдаваемый генератором (ток нагрузки). При чрезмерном же токе сильно нагретые обмотки генератора могут быть повреждены.

Действие электромагнитных регуляторов и ограничителей основано на уменьшении магнитного потока обмотки возбуждения, в котором вращается якорь генератора. Поэтому уменьшать магнитный поток необходимо в момент превышения якорем генератора оборотов, при которых генератор дает нормальное напряжение, или когда ток во внешней цепи станет больше расчетной величины. Уменьшение магнитного потока достигается автоматическим включением в цепь обмотки возбуждения добавочного сопротивления.

Значительно реже применяются генераторы, у которых зарядный ток регулируется третьей добавочной щеткой. Сравнительно постоянное напряжение поддерживается благодаря параллельной работе генератора и аккумуляторной батареи.

Регулятор напряжения – это электромагнитный прибор, состоящий из ярма с сердечником 8 (рис. 1) и обмоткой 7, включенной параллельно якорю Я генератора. Добавочное сопротивление 2 включено параллельно замкнутым контактам 3 и 4; при размыкании контактов сопротивление вводится в цепь обмотки возбуждения Ш (шунт).

Рисунок 1 – Схема регулятора напряжения

На рисунке 1 приведена схема регулятора напряжения:

1. Провод;
2. Добавочное сопротивление;
3. Неподвижный контакт;
4. Подвижный контакт;
5. Якорек;
6. Пружина;
7. Обмотка регулятора;
8. Ярмо с сердечником;
9. Провод;
10. Ш – шунт;
11. Я – якорь генератора.

При замкнутых контактах 3 и 4 регулятора напряжения ток проходит по следующим проводникам:

а) через обмотку регулятора: положительная щетка – масса – обмотка 7 – провод 1 – отрицательная щетка;

б) через обмотку возбуждения генератора: положительная щетка — обмотка возбуждения Ш – провод 9 – ярмо 8 – контакты 4 и 3 – провод 1 – отрицательная щетка (путь тока показан на схеме стрелками).

Когда напряжение генератора повысится до расчетного предела, сердечник ярма 8, намагничиваемый током, проходящим по обмотке 7, притянет к себе якорек 5 и контакты 3 и 4 разомкнутся. При этом в цепь обмотки возбуждения включится сопротивление 2; поэтому напряжение генератора резко упадет, что повлечет уменьшение тока в обмотке 7 и ее магнитного потока, а следовательно, и снижение намагниченности сердечника. Контакты под действием пружины 6 снова соединятся и замкнут накоротко сопротивление 2, пока напряжение генератора опять не возрастет, и т. д. Контакты 3 и 4 размыкаются и замыкаются настолько быстро, что напряжение на щетках генератора практически остается постоянным при изменении числа оборотов якоря в широких пределах.

Ограничитель тока не позволяет току генератора превышать расчетную величину и работает по тому же принципу, что и регулятор напряжения, но отличается от него включением обмотки электромагнита. Обмотка 3, состоящая из небольшого числа витков толстой проволоки (рис. 2), включена последовательно между генератором и потребителями 1.

При замкнутых контактах 6 и 7 ограничителя тока и включенных потребителях пути тока будут следующие:

а) через обмотку ограничителя: положительная щетка – потребители 1 – провод 2 – обмотка 3 – ярмо 9 – отрицательная щетка;

б) через обмотку возбуждения генератора: положительная щетка – обмотка возбуждения Ш – провод 8 – контакты 7 и 6 – якорек 5 – ярмо 9 – отрицательная щетка (путь тока указан на схеме стрелками).

При достижении током расчетной силы во внешней цепи, а значит и в обмотке 3, контакты 6 и 7 размыкаются и в цепь обмотки возбуждения включается добавочное сопротивление 10. Вследствие уменьшения тока в обмотке возбуждения напряжение генератора, а следовательно, и ток, отдаваемый генератором во внешнюю цепь, снизятся, контакты снова замкнутся под действием пружины 4 и замкнут накоротко сопротивление; процесс протекает так же, как при работе регулятора напряжения.

При отключении потребителей (кроме аккумуляторной батареи) ограничитель тока поддерживает постоянную величину зарядного тока независимо от увеличения числа оборотов коленчатого вала двигателя; при включении же различных потребителей зарядный ток будет уменьшаться в зависимости от сопротивления внешней цепи (нагрузки). При этом, если ток внешней цепи превышает максимально допускаемый ограничителем, то, кроме тока генератора, во внешнюю цепь пойдет ток из аккумуляторной батареи, т.е. батарея будет разряжаться.

Ограничители тока и регуляторы напряжения работают не одновременно. Пока ток, отдаваемый генератором, не достигает допускаемой максимальной величины, работает только регулятор напряжения. Когда ток генератора достигает предельной величины, ограничитель тока включает добавочное сопротивление, а регулятор напряжения перестает работать.

Генераторы с третьей щеткой устанавливались на автомобилях «Москвич» (до 1953 г.), ГАЗ-ММ, ЗИС-5М. Схема генератора с третьей щеткой показана на рис. 3. Генератор, выполненный по этой схеме, имеет, кроме двух главных щеток (положительной 4 и отрицательной 3), третью (добавочную) щетку 1. К этой щетке присоединена одним концом обмотка 2 возбуждения. Вторым концом эта обмотка соединена с главной щеткой 4. При таком включении обмотки возбуждения ток ее зависит только от величины ЭДС, возникающей в витках обмотки, расположенных между главной 4 и третьей 1 щетками.

Рисунок 2 – Схема ограничителя тока

На рисунке 2 приведена схема ограничителя тока:

1. Лампа накаливания (потребители);
2. Провод;
3. Обмотка ограничителя;
4. Пружина;
5. Якорек;
6. Подвижный контакт;
7. Неподвижный контакт;
8. Провод;
9. Ярмо с сердечником;
10. Добавочное сопротивление;
11. Ш – шунт;
12. Я – якорь генератора.

При замкнутых контактах 6 и 7 ограничителя тока и включенных потребителях пути тока будут следующие:

а) через обмотку ограничителя: положительная щетка – потребители 1 – провод 2 – обмотка 3 – ярмо 9 – отрицательная щетка;

б) через обмотку возбуждения генератора: положительная щетка – обмотка возбуждения Ш – провод 8 – контакты 7 и 6 – якорек 5 – ярмо 9 – отрицательная щетка (путь тока указан на схеме стрелками).

При достижении током расчетной силы во внешней цепи, а значит и в обмотке 3, контакты 6 и 7 размыкаются и в цепь обмотки возбуждения включается добавочное сопротивление 10. Вследствие уменьшения тока в обмотке возбуждения напряжение генератора, а следовательно, и ток, отдаваемый генератором во внешнюю цепь, снизятся, контакты снова замкнутся под действием пружины 4 и замкнут накоротко сопротивление; процесс протекает так же, как при работе регулятора напряжения.

При отключении потребителей (кроме аккумуляторной батареи) ограничитель тока поддерживает постоянную величину зарядного тока независимо от увеличения числа оборотов коленчатого вала двигателя; при включении же различных потребителей зарядный ток будет уменьшаться в зависимости от сопротивления внешней цепи (нагрузки). При этом, если ток внешней цепи превышает максимально допускаемый ограничителем, то, кроме тока генератора, во внешнюю цепь пойдет ток из аккумуляторной батареи, т.е. батарея будет разряжаться.

Ограничители тока и регуляторы напряжения работают не одновременно. Пока ток, отдаваемый генератором, не достигает допускаемой максимальной величины, работает только регулятор напряжения. Когда ток генератора достигает предельной величины, ограничитель тока включает добавочное сопротивление, а регулятор напряжения перестает работать.

Генераторы с третьей щеткой устанавливались на автомобилях «Москвич» (до 1953 г.), ГАЗ-ММ, ЗИС-5М. Схема генератора с третьей щеткой показана на рис. 3. Генератор, выполненный по этой схеме, имеет, кроме двух главных щеток (положительной 4 и отрицательной 3), третью (добавочную) щетку 1. К этой щетке присоединена одним концом обмотка 2 возбуждения. Вторым концом эта обмотка соединена с главной щеткой 4. При таком включении обмотки возбуждения ток ее зависит только от величины ЭДС, возникающей в витках обмотки, расположенных между главной 4 и третьей 1 щетками.

Рисунок 3 – Схема генератора с третьей щеткой

На рисунке 3 приведена схема генератора с третьей щеткой:

1. Третья (добавочная) щетка;
2. Обмотка возбуждения;
3. Отрицательная щетка;
4. Положительная щетка.

Автоматическое ограничение тока в трехщеточных генераторах основано на взаимодействии магнитных потоков, создаваемых током обмотки возбуждения и током якоря при нагрузке генератора.

Пока генератор не работает или работает вхолостую, когда ЭДС генератора равна электродвижущей силе аккумуляторной батареи, имеется только один магнитный поток, создаваемый током обмотки возбуждения (строго говоря, при работе вхолостую вокруг обмотки якоря возникает слабое магнитное поле, поскольку к щеткам присоединена обмотка возбуждения).

При работе же генератора под нагрузкой возникает второй магнитный поток обмотки якоря. В местах, где магнитные силовые линии потоков идут в одном направлении, магнитный поток обмотки возбуждения усиливается, а в местах, где они идут в противоположных направлениях, ослабляется; при этом происходит искажение магнитного потока, т.е. смещение магнитных силовых линии по направлению вращения якоря (рис. 3).

С повышением числа оборотов якоря напряжение на главных щетках (3 и 4) генератора стремится возрасти. Но как только напряжение генератора превысит ЭДС аккумуляторной батареи, ток генератора резко возрастает. Вследствие же увеличения тока якоря произойдет дальнейшее смещение магнитного потока Поэтому количество силовых линий, пересекаемых обмоткой якоря на участке между положительной щеткой 4 и третьей щеткой 1, уменьшится. Напряжение между этими щетками упадет, что вызовет уменьшение тока в обмотке возбуждения, а следовательно, и величины магнитного потока, в котором вращается якорь. Отсюда напряжение на главных щетках генератора почти не изменится, несмотря на увеличение числа оборотов якоря генератора.

Третья щетка регулирует напряжение только при соединении генератора с аккумуляторной батареей, служащей «буфером», выравнивающим напряжение на щетках генератора.

Благодаря малой величине сопротивления цепи генератор – батарея напряжение генератора мало отличается от ЭДС батареи. При возрастании же сопротивления в цепи генератор – батарея (окисление зажимав штырей или ослабление крепления проводов, сульфатация пластин батареи и др.), а тем более при разрыве этой цепи напряжение генератора резко увеличивается.

При работе генератора без батареи напряжение его, рассчитанное на рабочее напряжение 6 в, даже при средних оборотах возрастает с 7,0-7,5 в до 30-40 в, что приводит к перегоранию нитей включенных ламп и тонких обмоток приборов, находящихся под током, а также к сильному нагреву обмотки возбуждения.

Кроме автоматического регулирования тока в обмотке возбуждения и зависящего от него напряжения генератора, третья щетка позволяет изменять зарядный ток генератора при данном числе оборотов якоря.

Если передвинуть (вручную) третью щетку в направлении вращения якоря, зарядный ток возрастет; при смещении третьей щетки против направления вращения якоря зарядный ток уменьшится.

Это объясняется тем, что изменяется количество силовых линий, пересекаемых витками обмотки якоря, находящимся между главной и третьей щетками.

К положительным качествам генераторов с электромагнитными регуляторами напряжения и ограничителями тока относятся:

1) сохранение постоянства напряжения при всех режимах работы двигателя;

2) автоматическая регулировка зарядного тока в зависимости от состояния аккумуляторной батареи (чем больше напряжение на зажимах батареи, тем меньше зарядный ток), что способствует увеличению срока службы батареи;

3) возможность использования генератора без аккумуляторной батареи даже при средних и больших оборотах коленчатого вала двигателя.

Недостатки этих генераторов – сложное устройство регуляторов напряжения и ограничителей тока, трудность их регулировки.

Трехщеточные генераторы отличаются простым устройством, позволяют регулировать зарядный ток простым смещением третьей щетки. Однако они имеют крупные недостатки:

1) неустойчивость напряжения при изменении степени зараженности и внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи; при этом, чем больше напряжение на зажимах батареи, тем выше напряжение на щетках генератора, а также и зарядный ток; для предохранения же батареи от перезарядки требуется при данном условии не увеличивать, а уменьшать зарядный ток;

2) невозможно использовать генератор без аккумуляторной батареи вследствие резкого повышения напряжения генератора;

3) резкое колебание зарядного тока в зависимости от мощности включенных потребителей.

Источник