Коллекторный 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 рисунке 1 схематически изображен двигатель, в котором применяется такая же замкнутая обмотка якоря 1, как и у обычных машин постоянного тока. Для простоты на рисунке 1 представлен двухполюсный двигатель с малым числом секций в обмотке якоря. Роль коллекторных пластин и щеток здесь играют управляемые полупроводниковые вентили – тиристоры 1’, 1’’, 2’, 2’’ и так далее, соединяющие обмотку якоря 1 со сборными шинами 2. Шины 2 в свою очередь присоединяются к сети постоянного тока.
Рисунок 1. Схема двигателя постоянного тока с полупроводниковым коммутатором и с обмоткой якоря типа обмотки постоянного тока
В положении ротора 3, изображенном на рисунке 1, ток должны проводить тиристоры групп 2’ – 2’’ и 6’ – 6’’. Предположим, что ток проводят тиристоры 2’ и 6’’. Тогда ток Ia = 2 × ia распределится по обмотке якоря так, как показано на рисунке 1. Пусть при этом создается поток якоря Фa, направление которого также показано на рисунке 1. Тогда возникает электромагнитный момент M, под воздействием которого ротор будет поворачиваться по часовой стрелке. После поворота ротора на 1/8 оборота необходимо отключить тиристоры 2’, 6’’ и включить тиристоры 3’, 7’’, затем после поворота ротора на 1/8 оборота – включить тиристоры 4’, 8’’ и так далее. В результате такого согласованного с вращением ротора переключения тиристоров рассматриваемая машина работает подобно нормальной машине постоянного тока и имеет такие же характеристики.
 |
| Рисунок 2. Схема двигателя постоянного тока с полупроводниковым коммутатором и с обмоткой якоря типа обмотки переменного тока |
Включение и отключение тиристоров производятся посредством подачи на их управляющие электроды импульсов электрического напряжения с соответствующей длительностью. Эти импульсы вырабатываются специальным устройством, реагирующим на положение ротора (на рисунке 1 не показано). В простейшем случае такое устройство состоит из вспомогательного постоянного магнита, укрепленного на роторе двигателя, и расположенных на статоре, по его окружности, катушек, число которых равно числу секций якоря. Постоянный магнит при вращении ротора индуктирует поочередно в катушках электродвижущие силы, которые подаются на управляющие электроды.
При большом числе секций двигатель рассматриваемого типа обладает хорошими свойствами, однако при этом требуется большое число тиристоров и сложное устройство управления ими. Поэтому в настоящее время преимущественно применяются двигатели со схемой, изображенной на рисунке 2.
В верхней части рисунка 2 изображена схема полупроводникового коммутатора, а в нижней части – схематическое устройство двигателя с числом пар полюсов 2p = 2. На статоре этого двигателя имеются три обмотки ("фазы") А, В, С, сдвинутые по окружности на 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 на рисунке 3, а. 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.
Рисунок 3. Последовательность направлений токов в "фазах" обмотки якоря двигателя по схеме рисунка 2 (а) и идеализированные формы кривых тока в "фазах" обмотки якоря (б)
Отметим, что коммутатор, изображенный на рисунке 2, в сущности, является полупроводниковым инвертором, преобразовывающим постоянный ток в трехфазный переменный ток.
На рисунке 3, б представлены идеализированные кривые тока в "фазах" обмотки. Цифрами 1 – 6 на этом рисунке указаны интервалы времени, которые соответствуют позициям 1 – 6 на рисунке 3, а. В действительности благодаря сглаживающему влиянию индуктивностей обмотки форма кривых тока приближается к синусоидальной.
На основании изложенного представленная на рисунке 2 машина является, в 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.
Более подробные сведения о машинах постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами содержатся в книге И.И Овчинникова и Н.И. Лебедева, "Бесконтактные двигатели постоянного тока автоматических устройств", 1966 год.
Источник: Вольдек А. И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.