Классификация бесконтактных электрических машин и их физическая структура, страница 2

Бесконтактные машины постоянного тока (см. рис. 1.1)—генераторы и двигатели—реализуются на базе рас­смотренных выше БЭМ переменного тока, снабженных полупро­водниковыми преобразователями. Например, можно обеспечить бесконтактное преобразование механической энергии в электро­энергию постоянного тока, если объединить любой из бесконтакт-

ных генераторов переменного тока с полупроводниковым выпря­мителем. Такой преобразователь называется вентильным генера­тором (ВГ). Наибольший практический интерес представляют ВГ на базе различных типов бесконтактных синхронных генераторов (БСГ).

Обратное бесконтактное преобразование электроэнергии по­стоянного тока в механическую осуществляется с помощью бес­контактных вентильных двигателей постоянного тока (ВДПТ). Такой двигатель представляет собой органическое объединение бесконтактного двигателя переменного тока (обычно синхронного) и полупроводникового инвертора, который преобразует первичный постоянный ток в переменный, протекающий по якорной обмотке двигателя.

Наиболее рационально использование в БЭМ постоянного тока тех базовых синхронных БЭМ переменного тока, которые соеди­нены на классификационной схеме (см. рис. 1.1) нижними пунк­тирными перемычками. Анализ БЭМ постоянного тока должен учи­тывать специфику физических явлений, связанную с наличием по­лупроводниковых преобразователей.

Нетрадиционные типы БЭМ охватывают разновидности бесконтактных преобразователей, которые могут представлять ин­терес для перспективных энергетических установок или систем, работающих в специфических окружающих условиях. К ним ус­ловно отнесены индуктивные и емкостные параметрические БЭМ, топологические сверхпроводниковые генераторы и генераторы на ударных волнах, БЭМ с упругим креплением подвижного элемен-|та (см. рис. 1.1).

Несмотря на многообразие БЭМ, большинство из них, как правило, основано на физических процессах, в той или иной мере присущих синхронной или асинхронной машине. Поэтому ниже кратко излагаются некоторые общие положения теории электри­ческих машин, которые в дальнейшем используются для анализа конкретных БЭМ и особенностей их характеристик. Специальные вопросы теории различных типов БЭМ рассматриваются в других главах.

Основные процессы в синхронной машине. В рабочем режиме синхронной машины по обмотке якоря течет ток /, который соз­дает магнитный поток реакции якоря Фа, замыкающийся через статор и ротор, а также поток рассеяния Фоа, замыкающийся вокруг ОЯ и не сцепленный с ротором. Поскольку синхронные БЭМ имеют, как правило, полюсы на роторе, их удобно анализи­ровать с использованием вращающихся координатных осей а и а. Продольная ось а направлена по оси полюсов, поперечная ось <7—по геометрической нейтрали (по биссектрисе угла между ося­ми соседних полюсов).

Предполагается, что поток реакции якоря Фа состоит из двух компонент: продольного потока Фее по оси а и поперечного пото-14

ка Фдд по оси ^, каждый из которых наводит свою ЭДС реакции якоря в ОЯ.

Рассмотрим сначала работу синхронной машины в режиме ге­нератора. На основании закона Кирхгофа напряжение 0, снимае­мое с зажимов генератора, равно сумме всех ЭДС за вычетом па­дения напряжения на внутреннем активном сопротивлении яко­ря Ка-

Для действующих значений величин, изменяющихся по гармо­ническому закону, имеем в комплексной форме

и=Ео-\-Е^+Ё^-}-Е^-/Ка,          (1.1)

где ^о—ЭДС от основного потока индуктора Фо: Еаа и Еа^— ЭДС от потоков реакции якоря Фда и Фад соответственно; Е,ц— ЭДС от потока рассеяния Фоа.

Если генератор подключен к мощной сети с напряжением Ос, то, очевидно, !^с==—0, так как оба напряжения должны уравно­вешивать друг друга.

Представим / как сумму 1=1'а + I^, считая, что ток /а создает поток Фаа, а 1„ — поток Фау. Поскольку при ненасыщенных сердеч­никах ПОТОК Фаа ПрОПОрЦИОНаЛСН /а(Фаа<-0 ^й) И ФадОЭ /о, а В СВОЮ

очередь, £аасо Фаа, то с учетом отставания по фазе ЭДС от соз­дающего ее потока на л/2 имеем

•СдД^—^•Ла|^^^^'^ ^ау^—^ла^1ч^

где Хал и Xа^—индуктивные сопротивления продольной и попе­речной реакции якоря соответственно.

Аналогично, Ёаа==—]Х,а1, где Х,а — индуктивное сопротивле­ние рассеяния ОЯ.

Значения параметров Хаа и Хад, очевидно, тем больше, чем больше потоки Фаа и Фа», а последние, в свою очередь, тем боль­ше, чем меньше воздушные зазоры Да и бу по осям а и ^ (см. рис. 1.2, о). Если ротор выполнен явнополюсным, т. е. 6а<б„, то в обычных синхронных машинах с полюсами из магнитомягкой стали имеем Хаа>Хау.

Если ротор неявнополюсный, т. е. бд==бо, то Хан^Хщ,.

С учетом записанных выражений получаем

Соотношению (1.2) соответствует векторная диаграмма на рис. 1.4, а. При ее построении параметры Лео и Хаа обычно счита­ются не зависящими от тока /, что справедливо при отсутствии насыщения стальных сердечников. На диаграмме обозначены сум­марный рабочий поток в зазоре Фв==Фо+Фаа+Фаа и наводимая им ЭДС Ёа.

§ 2.8. Конструкция синхронных машин с постоянными магнитами

Статор бесконтактных синхронных машин с постоянными маг­нитами имеет практически такую же конструкцию, что и в обыч­ных синхронных машинах с полюсами на роторе. Обычно он со­держит шихтованный цилиндрический магнитопровод /, на внут­ренней поверхности которого размещается якорная обмотка 2 (рис. 2.19, а). Если в машине используются обычные постоянные магниты, то внутренняя поверхность сердечника статора содержит пазы, чередующиеся с зубцами (рис. 2.19, б). В пазах размещают

Рис. 2.19. Якорь синхронной машины (а) и его активная зона в пазовой (б) и беспазовой (в) конструкциях