Машины постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ - ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ

Изучение электрических машин основано на знаниях электрических и магнитных явлений. Физический смысл некоторых законов и явлений, лежащих в основе принципа действия электрических машин, основан на законах электромагнитной индукции.

Рис. 1. К понятиям об «элементарном генераторе» (а) и «элементарном двигателе» (б)

В процессе работы электрической машины в режиме генератора происходит преобразование механической энергии в электрическую. Природа этого процесса объясняется законом электромагнитной индукции: если внешней силой F воздействовать на помещенный в магнитное поле проводник и перемещать его (рис. 1, а), например, слева направо перпендикулярно вектору индукции В магнитного поля со скоростью , то в проводнике будет наводиться электродвижущая сила (ЭДС)

E=Blv, (B.1)

где В -- магнитная индукция, Тл;

l -- активная длина проводника, т. е. длина его части, находящейся в магнитном поле, м;

-- скорость движения проводника, м/с.



Рис. 2. Правила «правой руки» и «левой руки»

Для определения направления ЭДС следует воспользоваться правилом «правой руки» (рис. 2, а). Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление R (потребитель), то под действием ЭДС в проводнике возникнет ток такого же направления. Таким образом, проводник в магнитном поле можно рассматривать в этом случае как элементарный генератор.

В результате взаимодействия тока I с магнитным полем возникает действующая на проводник электромагнитная сила

F_ЭМ = BIl. (2)

Направление силы F_ЭМ можно определить по правилу «левой руки» (рис. 2, б). В рассматриваемом случае эта сила направлена справа налево, т.е. противоположно движению проводника. Таким образом, в рассматриваемом элементарном генераторе сила F_ЭМ является тормозящей по отношению к движущей силе F.

При равномерном движении проводника F = F_ЭМ. Умножив обе части равенства на скорость движения проводника, получим

F = F_ЭМ

Подставим в это выражение значение F_ЭМ из (2):

F = BIl = EI (З)

Левая часть равенства определяет значение механической мощности, затрачиваемой на перемещение проводника в магнитном поле; правая часть - значение электрической мощности, развиваемой в замкнутом контуре электрическим током I. Знак равенства между этими частями показывает, что в генераторе механическая мощность, затрачиваемая внешней силой, преобразуется в электрическую.

Если внешнюю силу F к проводнику не прикладывать, а от источника электроэнергии подвести к нему напряжение U так, чтобы ток I в проводнике имел направление, указанное на рис. 1, б, то на проводник будет действовать только электромагнитная сила F_ЭМ. Под действием этой силы проводник начнет двигаться в магнитном поле. При этом в проводнике индуцируется ЭДС с направлением, противоположным напряжению U. Таким образом, часть напряжения U, приложенного к проводнику, уравновешивается ЭДС Е, наведенной в этом проводнике, а другая часть составляет падение напряжения в проводнике:

U = E + Ir, (В.4 )

где r -- электрическое сопротивление проводника.

Умножим обе части равенства на ток I:

UI = ЕI + I²r.

Подставляя вместо Е значение ЭДС из (1), получим

UI =BlI + I ²r,

или, согласно (2),

UI = F_ЭМ + I ²r. (В.5)

Из этого равенства следует, что электрическая мощность (UI), поступающая в проводник, частично преобразуется в механическую (F_ЭМ), а частично расходуется на покрытие электрических потерь в проводнике (I²r). Следовательно, проводник с током, помещенный в магнитном поле, можно рассматривать как элементарный электродвигатель.

Рассмотренные явления позволяют сделать выводы:

а) для любой электрической машины обязательно наличие электропроводящей среды (проводников) и магнитного поля, имеющих возможность взаимного перемещения;

б) при работе электрической машины как в режиме генератора, так и в режиме двигателя одновременно наблюдаются индуцирование ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле, и возникновение силы, действующей на проводник, находящийся в магнитном поле, при протекании по нему электрического тока;

в) взаимное преобразование механической и электрической энергий в электрической машине может происходить в любом направлении, т.е. одна и та же электрическая машина может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора; это свойство электрических машин называют обратимостью. Принцип обратимости электрических машин был впервые установлен русским ученым Э. X. Ленцем.

Конструктивное исполнение большинства электрических машин построено на принципе вращательного движения их подвижной части. Обобщенная конструкция электрической машины (рис. 3) состоит из неподвижной части 1, называемой статором, и вращающейся части 2, называемой ротором. Ротор располагается внутри статора и отделен от него воздушным зазором. Одна из указанных частей машины снабжена элементами, возбуждающими в машине магнитное поле (например, электромагнит или постоянный магнит), а другая -- имеет обмотку, называемой рабочей обмоткой машины. Как неподвижная часть машины (статор), так и подвижная (ротор) имеют сердечники, выполненные из магнитно-мягкого материала и обладающие небольшим магнитным сопротивлением.

Рис. 3. Обобщенная конструктивная схема электрической машины

Возможны также конструкции электрических машин, у которых рабочая обмотка расположена на статоре, а элементы, возбуждающие магнитное поле, -- на роторе. Принцип работы машины при этом остается прежним.

Диапазон мощностей электрических машин весьма широк -- от долей ватт до сотен тысяч киловатт.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Использование электрических машин в качестве генераторов и двигателей является их главным применением, так как связано исключительно с целью взаимного преобразования электрической и механической энергии. Применение электрических машин в техники иметь и другие цели. Так, потребление электроэнергии часто связано с преобразованием переменного тока в постоянный или же с преобразованием тока промышленной частоты в ток более высокой частоты. Для этих целей применяют электромашинные преобразователи.

Электрические машины используют также для усиления мощности электрических сигналов (электромашинные усилители). Электрические машины, используемые для повышения коэффициента мощности потребителей электроэнергии (синхронные компенсаторы). Электрические машины, служащие для регулирования напряжения переменного тока (индукционными регуляторами).

В устройствах автоматики и вычислительной техники применяются микромашины. Их используют как двигатели, так и в качестве тахогенераторов (для преобразования частоты вращения в электрический сигнал), сельсинов, вращающихся трансформаторов (для получения электрических сигналов, пропорциональных углу поворота вала) и т. п.

Классифицируются электрические машины по принципу действия, согласно которому разделяются: на бесколлекторные и коллекторные, различающиеся как принципом действия, так и конструкцией. Бесколлекторные машины -- это машины переменного тока. Они разделяются на асинхронные и синхронные. Асинхронные машины применяются преимущественно в качестве двигателей, а синхронные -- как в качестве двигателей, так и в качестве генераторов. Коллекторные машины применяются главным образом для работы на постоянном токе в качестве генераторов или двигателей. Лишь коллекторные машины небольшой мощности делают универсальными двигателями, способными работать как от сети постоянного, так и от сети переменного тока.

Электрические машины одного принципа действия могут различаться схемами включения либо другими признаками, влияющими на эксплуатационные свойства этих машин. Например, асинхронные и синхронные машины могут быть трехфазными (включаемыми в трехфазную сеть), конденсаторными или однофазными. Асинхронные машины в зависимости от конструкции обмотки ротора разделяются на машины с короткозамкнутым ротором и машины с фазным ротором.

Синхронные машины и коллекторные машины постоянного тока в зависимости от способа создания в них магнитного поля возбуждения разделяются на машины с обмоткой возбуждения и машины с постоянными магнитами. На рис. В.4 представлена диаграмма классификации электрических машин.

К электрическим машинам относятся трансформаторы, которые являются статическими преобразователями электроэнергии переменного тока. Отсутствие каких-либо вращающихся частей придает трансформаторам конструкцию, принципиально отличающую их от электрических машин. Однако принцип действия трансформаторов, так же как и принцип действия электрических машин, основан на явлении электромагнитной индукции, и поэтому многие положения теории трансформаторов составляют основу теории электрических машин переменного тока.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО КОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Принцип действия генератора и двигателя постоянного тока

Характерным признаком коллекторных машин является наличие у них коллектора -- механического преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, так как только в этом случае в машине происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии.

Принцип действия коллекторного генератора постоянного тока заключается в следующем: между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть генератора - якорь, вал которого механически связан с источником механической энергии. В двух продольных пазах на сердечнике якоря расположена обмотка в виде одного витка a,b,c,d, концы которого присоединены к двум медным изолированным друг от друга полукольцам, образующим простейший коллектор. На поверхность коллектора наложены щетки А и В, осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие генератор с внешней цепью, куда включена нагрузка сопротивлением R.

Рис. 5. Упрощенная модель коллекторной машины

При вращении якоря генератора против часовой стрелки, в витке на якоре, вращающемся в магнитном поле постоянного магнита, наводится ЭДС, мгновенное значение которой , а направление для положения якоря, изображенного на рисунке, указано стрелками.

В процессе работы генератора якорь вращается и виток a,b,c,d, занимает разное пространственное положение, поэтому в обмотке якоря наводится переменная ЭДС. Если бы в машине не было коллектора, то ток во внешней цепи (в нагрузке R) был бы переменным, но посредством коллектора и щеток переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток во внешней цепи генератора, т. е. ток, неизменный по направлению. При положении витка якоря, показанном на рис. 5, ток во внешней цепи (в нагрузке) направлен от щетки А к щетке В; следовательно, щетка А является положительной, а щетка В -- отрицательной. После поворота якоря на 180⁰ (рис. 6, а) направление тока в витке якоря изменится на обратное, однако полярность щеток, а следовательно, и направление не тока во внешней цепи (в нагрузке) останутся неизменными (рис. 6, б). Объясняется это тем, что в тот момент, когда ток в витке якоря меняет свое направление, происходит смена коллекторных пластин под щетками. Таким образом, под щеткой А всегда находится пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным магнитным полюсом, а под щеткой В -пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. Благодаря этому полярность щеток генератора остается неизменной независимо от положения витка якоря. Что же касается пульсаций тока во внешней цепи, то они намного ослабится при увеличении числа витков в обмотке якоря при их равномерном распределении по поверхности якоря и соответствующем увеличении числа пластин в коллекторе.



Рис. 6. К принципу действия генератора постоянного тока:

___________ ЭДС и ток в обмотке якоря;

_ _ _ _ _ _ _ ЭДС и ток во внешней цепи генератора

В соответствии с принципом обратимости электрических машин упрощенная модель машины постоянного тока может быть использована в качестве двигателя постоянного тока. Для этого необходимо отключить нагрузку генератора R и подвести к щеткам машины напряжение от источника постоянного тока. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем постоянного магнита (полем возбуждения) появятся электромагнитные силы , создающие на якоре электромагнитный момент М и вращающие его против часовой стрелки. После поворота якоря на 180⁰ электромагнитные силы не изменят своего направления, так как одновременно с переходом каждого проводника обмотки якоря из зоны одного магнитного полюса в зону другого полюса в этих проводниках меняется направление тока.



Рис. 7. К принципу действия двигателя постоянного тока

Таким образом, назначение коллектора и щеток в двигателе постоянного тока -- изменять направление тока в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности.

Упрощенная модель машины постоянного тока не обеспечивает двигателю устойчивой работы, так как при прохождении проводниками обмотки якоря геометрической нейтрали (рис. 7) электромагнитные силы = 0. Однако с увеличением числа проводников в обмотке якоря (при равномерном их распределении на поверхности якоря) и числа пластин коллектора вращение якоря двигателя становится устойчивым и равномерным.

УСТРОЙСТВО КОЛЛЕКТОРНОЙ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Общая конструктивная схема машин постоянного тока одинакова. Неподвижная часть машины постоянного тока называется статором, вращающаяся часть -- якорем (рис. 8).



Рис. 8. Устройство машины постоянного тока

Статор. Состоит из станины 6 и главных полюсов 4. Станина 6 служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток машины. Станину изготовляют из стали - материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. В нижней части станины имеются лапы 11 для крепления машины к фундаментной плите, а по окружности станины расположены отверстия для крепления сердечников главных полюсов 4.

Главные полюсы предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждения. Главный полюс состоит из сердечника 6 и полюсной катушки 5. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник полюса имеет полюсный наконечник, который обеспечивает необходимое распределение магнитной индукции в зазоре машины. Сердечники главных полюсов делают шихтованными из листовой конструкционной стали толщиной 1--2 мм или из тонколистовой электротехнической анизотропной холоднокатаной стали. Анизотропная сталь обладает повышенной магнитной проницаемостью вдоль проката, что должно учитываться при штамповке пластин и их сборке в пакет.



Рис. 9. Главные полюсы с бескаркасной (а) и каркасной (б) полюсными катушками:

1 -- станина, 2 -- сердечник полюса, 3 -- полюсная катушка

В машинах постоянного тока небольшой мощности полюсные катушки делают бескаркасными - намоткой медного обмоточного провода непосредственно на сердечник полюса, предварительно наложив на него изоляционную прокладку (рис. 9, а). В большинстве машин (мощностью 1 кВт и более) полюсную катушку делают каркасной: обмоточный провод наматывают на каркас (обычно пластмассовый), а затем надевают на сердечник полюса (рис. 9, б). В некоторых конструкциях машин полюсную катушку для более интенсивного охлаждения разделяют по высоте на части, между которыми оставляют вентиляционные каналы.

Якорь. Якорь машины постоянного тока (рис. 8) состоит из вала 10, сердечника 3 с обмоткой и коллектора 7. Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию и набирается из штампованных пластин тонколистовой электротехнической стали. На поверхности сердечника якоря имеются продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря.

Обмотку выполняют медным проводом круглого или прямоугольного сечения. Пазы якоря после заполнения их проводами обмотки обычно закрывают клиньями (текстолитовыми или гетинаксовыми). В некоторых машинах пазы не закрывают клиньями, а накладывают на поверхность якоря бандаж. Бандаж делают из проволоки или стеклоленты с предварительным натягом. Лобовые части 9 обмотки якоря крепят к обмоткодержателям бандажом.

Коллектор 1 является одним из сложных узлов машины постоянного тока. Основными элементами коллектора являются пластины трапецеидального сечения из твердотянутой меди, собранные таким образом, что коллектор приобретает цилиндрическую форму. В зависимости от способа закрепления коллекторных пластин различают два основных типа коллекторов: со стальными конусными шайбами и на пластмассе.

На рис. 10, а показано устройство коллектора со стальными конусными шайбами. Нижняя часть коллекторных пластин 6 имеет форму «ласточкина хвоста». После сборки коллектора эти части пластин оказываются зажатыми между стальными шайбами 1 и 3, изолированными от медных пластин миканитовыми манжетами 4. Конусные шайбы стянуты винтами 2. Верхняя часть 5 коллекторных пластин (см. рис. 10, а), называемая петушком, имеет узкий продольный паз, в который закладывают проводники обмотки якоря и тщательно припаивают.

Рис. 10 Устройство коллектора с конусными шайбами

В машинах постоянного тока малой мощности часто применяют коллекторы на пластмассе, отличающиеся простотой в изготовлении. Набор медных и миканитовых пластин в таком коллекторе удерживается пластмассой, запрессованной в пространство между набором пластин и стальной втулкой 4 и образующей корпус коллектора. Иногда с целью увеличения прочности коллектора эту пластмассу 2 армируют стальными кольцами 3 (рис. 11).

Рис. 11. Устройство коллектора на пластмассе

Электрический контакт с коллектором осуществляется посредством щеток, располагаемых в щеткодержателях 4 (см. рис. 8).

Рис. 12. Щеткодержатель (сдвоенный) машины постоянного тока

Щеткодержатель (рис. 12) состоит из обоймы 4, в которую помещают щетку 3, курка 1, представляющего собой откидную деталь, передающую давление пружины 2 на щетку. Щеткодержатель крепят на пальце зажимом 5. Щетка снабжается гибким тросиком 6 для включения ее в электрическую цепь машины. Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой сборными шинами, подключенными к выводам машины. Одно из основных условий бесперебойной работы машины -- плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором. Давление на щетку должно быть отрегулировано, так как чрезмерный нажим может вызвать преждевременный износ щетки и перегрев коллектора, а недостаточный нажим -- искрение на коллекторе.

Помимо указанных частей машина постоянного тока имеет два подшипниковых щита: передний 12 (со стороны коллектора) и задний 7 (см. рис. 8). В центральной части щита имеется расточка под подшипник. На переднем подшипниковом щите имеется смотровое окно (люк) с крышкой, через которое можно осмотреть коллектор и щетки, не разбирая машины. Концы обмоток выведены на зажимы коробки выводов. Вентилятор 8 служит для самовентиляции машины: воздух поступает в машину обычно со стороны коллектора, омывает нагретые части (коллектор, обмотки и сердечники) и выбрасывается с противоположной стороны через решетку.

Непременным элементом коллекторной машины постоянного тока, включенным между обмоткой якоря и внешней сетью, является механический преобразователь рода тока -- щеточно-коллекторный узел. Таким образом, коллекторные машины сложнее бесколлекторных машин переменного тока (асинхронной и синхронной) и, следовательно, уступают им (особенно асинхронной машине) в надежности и имеют более высокую стоимость.

ОБМОТКИ ЯКОРЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Основные понятия. Обмотка якоря машины постоянного тока представляет собой замкнутую систему проводников, определенным образом уложенных на сердечнике якоря и присоединенных к коллектору.

Элементом обмотки якоря является секция (катушка), присоединенная к двум коллекторным пластинам. Расстояние между пазовыми частями секции должно быть равно или мало отличаться от полюсного деления (рис. 25.1):

. (25.1)

Здесь -- диаметр сердечника якоря, мм.

Рис. 25.1. Расположение пазовых сторон секции на сердечнике якоря

Обмотка якоря характеризуется следующими параметрами: числом секций S; числом пазов (реальных) Z; числом секций, приходящихся на один паз, ; числом витков секции . Верхняя пазовая сторона одной секции и нижняя пазовая сторона другой секции, лежащие в одном пазу, образуют элементарный паз. Число элементарных пазов в реальном пазе определяется числом секций, приходящихся на один паз: (рис. 25.2).

Рис. 25.2. Элементарные пазы

Схемы обмоток якоря делают развернутыми, при этом все секции являются одновитковыми. Концы секций присоединяют к коллекторным пластинам, при этом к каждой пластине присоединяют начало одной секции и конец другой, т. е. на каждую секцию приходится одна коллекторная пластина. Таким образом, для обмотки якоря справедливо , где -- число элементарных пазов; К -- число коллекторных пластин в коллекторе. Число секций, приходящихся на один реальный паз, определяется отношением .

Различают следующие виды обмоток:

Простая петлевая обмотка якоря. В простой петлевой обмотке якоря каждая секция присоединена к двум рядом лежащим коллекторным пластинам. При укладке секций на сердечнике якоря начало каждой последующей секции соединяется с концом предыдущей, постепенно перемещаясь при этом по поверхности якоря (и коллектора) так, что за один обход якоря укладывают все секции обмотки. В результате конец последней секции оказывается присоединенным к началу первой секции, т. е. обмотка якоря замыкается.

Если укладка секций обмотки ведется слева направо по якорю, то обмотка называется правоходовой (рис. 25.3, а), а если укладка секций ведется справа налево, то обмотка называется левоходовой (рис. 25.3,). Для правоходовой обмотки результирующий шаг

Расстояние между двумя коллекторными пластинами, к которым присоединены начало и конец одной секции, называют шагом обмотки по коллектору у_к. Шаги обмотки по якорю выражают в элементарных пазах, а шаг по коллектору -- в коллекторных делениях (пластинах).



а -- правоходовая; б -- левоходовая; в -- развернутая схема

- первый частичный шаг по якорю, - второй частичный шаг по якорю, - результирующий шаг по якорю

Рис. 25.3. Простая петлевая обмотка:

Начало и конец каждой секции в простой петлевой обмотке присоединены к рядом лежащим коллекторным пластинам, следовательно, , где знак плюс соответствует правоходовой обмотке, а знак минус -- левоходовой.

Сложная петлевая обмотка. При необходимости получить петлевую обмотку с большим числом параллельных ветвей, как это требуется, например, низковольтных машинах постоянного тока, применяют сложную петлевую обмотку. Такая обмотка представляет собой несколько (обычно две) простых петлевых обмоток, уложенных на одном якоре и присоединенных к одному коллектору. Число параллельных ветвей в сложной петлевой обмотке 2 = 2, где т -- число простых петлевых обмоток, из которых составлена сложная обмотка (обычно т = 2). Ширина щеток при сложной петлевой обмотке принимается такой, чтобы каждая щетка одновременно перекрывала т коллекторных пластин, т. е. столько пластин, сколько простых обмоток в сложной. При этом простые обмотки оказываются присоединенными параллельно друг другу. На рис. 25.6 показана развернутая схема сложной петлевой обмотки, состоящей из двух простых (т = 2): 2 = 4; = 16. Результирующий шаг обмотки по якорю и шаг по коллектору сложной петлевой обмотки принимают равным у = у_к = т.



Рис. 25.6. Развернутая схема сложной петлевой обмотки

Сначала располагаем все секции одной из простых обмоток (секции с нечетными номерами: 1, 3, 5 и т. д.), а концы этих секций присоединением к нечетным пластинам коллектора (рис. 25.6). Затем располагаем на якоре секции другой петлевой обмотки с номерами 2, 4, 6 и т. д. Изображаем на схеме щетки шириной в два коллекторных деления. Число параллельных ветвей обмотки 2 = 2 = 4-2 = 8.

Простая волновая обмотка. Простую волновую обмотку получают при последовательном соединении секций, находящихся под разными парами полюсов (рис. 25.7). Концы секций простой волновой обмотки присоединены к коллекторным пластинам, удаленным друг от друга на расстояние шага обмотки по коллектору у_к =у. За один обход по якорю укладывают столько секций, сколько пар полюсов имеет машина, при этом конец последней по обходу секции присоединяют к пластине, расположенной радом с исходной.



а -- правоходовая, б -- левоходовая; в -- развернутая схема

Рис. 25.7. Простая волновая обмотка:

Простую волновую обмотку называют левоходовой, если конец последней по обходу секций присоединяется к пластине, находящейся слева от исходной (рис. 25.7, а). Если же эта пластина находится справа от исходной, то обмотку называют правоходовой (рис. 25.7, б). Секции волновой обмотки могут быть одновитковыми и многовитковыми. Шаг простой волновой обмотки по коллектору

(25.6)

Знак минус соответствует левоходовой обмотке, а знак плюс -- правоходовой. Правоходовая обмотка не получила практического применения, так как ее выполнение связано с дополнительным расходом меди на перекрещивание лобовых частей.

Первый частичный шаг обмотки определяют по (25.3), а второй частичный шаг .

При первом обходе по якорю укладываем секции 1 и 7 (рис. 25.7, в). При втором обходе укладываем секции 13 и 6 и т. д., пока не будут уложены все 13 секций и обмотка не окажется замкнутой. Секции 3, 6 и 9 в рассматриваемый момент времени замкнуты на коротко через щетки одинаковой полярности и провода, соединяющие их.

Сложная волновая обмотка (рис. 25.9). Несколько простых волновых обмоток (обычно две), уложенных на одном якоре, образуют сложную волновую обмотку.

Рис. 25.9. Развернутая схема сложной волновой обмотки

Число параллельных ветвей в сложной волновой обмотке 2 = 2 (обычно 2 = 4), где т -- число простых обмоток в сложной (обычно т = 2). Простые обмотки, входящие в сложную, соединяют параллельно посредством щеток. Шаг по коллектору, а следовательно, и результирующий шаг по якорю

. (25.7)

Порядок выполнения схемы обмотки такой же, как и при сложной петлевой обмотке: сначала укладывают в пазы якоря одну простую обмотку, состоящую из нечетных секций, а затем другую, состоящую из четных секций (рис. 25.9) Число параллельных ветвей в обмотке 2 = 4.

Комбинированная обмотка. Комбинированная (лягушачья) обмотка представляет собой сочетание петлевой и волновой обмоток, расположенных в одних пазах и присоединенных к общему коллектору. Секция этой обмотки показана на рис. 25.13, а. Так как каждая из составляющих обмоток двухслойная, то комбинированную обмотку укладывают в пазах якоря в четыре слоя, а к каждой пластине коллектора припаивают по четыре проводника.

Достоинство комбинированной обмотки -- большое число параллельных ветвей при отсутствии уравнительных соединений. Однако некоторая технологическая трудность в выполнении комбинированных обмоток ограничивает их применение машинами постоянного тока большой мощности, а также быстроходными машинами, в которых выполнение уравнителей затруднено.

Рис. 25.13. Комбинированная обмотка якоря

На рис. 25.13, б показана часть развернутой схемы комбинированной обмотки. Шаги секций комбинированной обмотки принимают одинаковыми . Шаг по якорю комбинированной обмотки равен сумме шагов составляющих обмоток:

,

т. е. шаг комбинированной обмотки по якорю равен потенциальному шагу. Поэтому пластины коллектора, которые должны быть соединены уравнителями, в комбинированной обмотке оказываются соединенными секциями.

Следует обратить внимание, что комбинированная обмотка выполнима лишь при условии равенства чисел параллельных ветвей в волновой и петлевой составляющих обмотках. При этом ЭДС параллельных ветвей обмоток должны быть одинаковыми. В петлевой обмотке число параллельных ветвей 2 = 2, в волновой обмотке 2=2. Для получения одинакового числа параллельных ветвей в обмотках волновую обмотку выполняют сложной с числом = р. Число параллельных ветвей в комбинированной обмотке 2 = 2 + 2 = 4.

УРАВНИТЕЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Условия симметрии обмотки якоря. Обмотку якоря называют симметричной, если ее параллельные ветви обладают одинаковыми электрическими свойствами: имеют одинаковые электрические сопротивления и в них индуцируются одинаковые ЭДС. В несимметричной обмотке якоря ток якоря распределяется в параллельных ветвях неодинаково, что влечет за собой перегрузку одних ветвей в недогрузку других. В результате растут электрические потери в обмотке якоря, а полезная мощность машины уменьшается.

Обмотка якоря становится симметричной лишь при соблюдении определенных условий, называемых условиями симметрии.

Первое условие. Каждая пара параллельных ветвей обмотки должна состоять из одинакового числа секций. Это условие выполняется, если на каждую пару параллельных ветвей приходится одинаковое число секций, т. е. отношение числа секций S к числу пар параллельных ветвей а обмотки якоря равно целому числу (ц. ч.):

ц.ч. (25.8)

Второе условие. Секции каждой пары параллельных ветвей должны занимать на якоре одинаковое число пазов:

ц.ч. (25.9)

Третье условие. Каждая пара параллельных ветвей обмотки должна занимать одинаковое положение относительно системы главных полюсов, что выполнимо при

= ц. ч. (25.10)

Сложная петлевая обмотка будет симметричной только при т = 2.

Уравнительные соединения. При соблюдении всех условий симметрии обмоток ЭДС параллельных ветвей обмотки якоря в многополюсных машинах могут оказаться неодинаковыми. Причина этого - магнитная несимметрия. Происходит это из-за дефектов, возникающих при изготовлении машины: наличия раковин в отливке станины, некачественной сборки полюсов, неправильной центровки якоря, т. е. его перекоса, отчего воздушный зазор под полюсами становится неодинаковым.

Влияние магнитной несимметрии на работу машины зависит от типа обмотки якоря. В волновых обмотках секции каждой параллельной ветви равномерно распределены под всеми полюсами машины, поэтому магнитная несимметрия не влечет за собой неравенства ЭДС в параллельных ветвях, так как она одинаково влияет на все параллельные ветви обмотки.

В петлевых обмотках якоря секции, образующие параллельную ветвь, расположены под смежной парой полюсов. Поэтому при 2 > 2 магнитная несимметрия становится причиной неравенства ЭДС параллельных ветвей, что ведет к появлению в обмотке якоря уравнительных токов.

Неравномерная нагрузка параллельных ветвей ведет к перегреву обмотки, увеличению электрических потерь в ней, искрение на коллекторе. Для уменьшения неравномерной нагрузки щеток в простых петлевых обмотках точки обмотки якоря, потенциалы которых теоретически должны быть одинаковыми, электрически соединяют между собой. В этом случае возникающие в обмотке уравнительные токи замыкаются внутри обмотки без выхода на щетки.

Указанные соединения выполняют медными проводами и называют уравнительными соединениями первого рода (уравнителями). Практически доступными для соединения точками равного потенциала являются концы секций, присоединяемые к коллекторным пластинам, или лобовые части обмотки со стороны, обратной коллектору.

Количество точек в обмотке, имеющих одинаковый потенциал, равно числу полюсов в машине. Расстояние между двумя соседними точками равного потенциала называют потенциальным шагом . При расположении уравнительных соединений со стороны коллектора потенциальный шаг выражается числом коллекторных делений:

. (25.11)

Полное число уравнителей первого рода, которое можно установить в машине, равно

. (25.12)

В сложных петлевых и волновых обмотках простые обмотки, образующие сложную, соединены параллельно через щеточный контакт. Но обеспечить одинаковый контакт щеток со всеми простыми обмотками практически невозможно, поэтому ток между простыми обмотками распределяется неодинаково, что нарушает равномерное распределение потенциала по коллектору и можем вызвать на нем искрение. Для устранения этого нежелательного явления применяют уравнительные соединения (уравнители) второго рода, с помощью которых простые обмотки, входящие в сложную, электрически соединяют между собой в точках равного потенциала. Таким образом, если уравнители первого рода устраняют нежелательные последствия магнитной несимметрии, то уравнители второго рода устраняют неравномерность в распределении потенциала по коллектору при сложных обмотках якоря.

На рис. 25.9 представлена схема сложной волновой обмотки с уравнителями второго рода, соединяющими точки равного потенциала на лобовых частях обмотки со стороны, противоположной коллектору.

В сложных петлевых обмотках уравнители второго рода выполняют, как показано на рис. 25.12. Ввиду того что в этой обмотке каждую секцию одной из простых обмоток присоединяют к пластинам коллектора, расположенным через одну (например, к нечетным пластинам), то пластины, находящиеся между ними (например, четные), делят напряжение каждой секции на две части. Для обеспечения равномерного распределения напряжения между пластинами необходимо, чтобы эти части были одинаковыми, т. е. чтобы напряжение между каждой парой рядом лежащих пластин (например 1 и 2) было равно половине напряжения секции. С этой целью в обмотке применяют уравнители второго рода, с помощью которых середину секции со стороны, противоположной коллектору, соединяет с промежуточной пластиной (например, середину секции, присоединенной к пластинам 1 и 3, соединяют с пластиной 2, как это показано на рис. 25.12). Такой уравнитель приходится «протягивать» между валом и сердечником якоря через специальное отверстие.

Таким образом, если в сложных волновых обмотках применяют лишь уравнители второго рода, то в сложных петлевых обмотках необходимы как уравнители первого, так и уравнители второго рода.



Рис. 25.12. Уравнительные соединения второго рода в сложной петлевой обмотке якоря

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МОМЕНТ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электродвижущая сила. Она наводится в обмотке якоря основным магнитным потоком. Распределение индукции в зазоре машины (в поперечном сечении), при равномерном зазоре в пределах каждого полюса имеет вид криволинейной трапеции (рис. 25.14, а, график 1).

Рис. 25.14. Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока

На рис. 25.14, б показан продольный разрез главного полюса и якоря с радиальными вентиляционными каналами. График распределения магнитной индукции в воздушном зазоре по продольному разрезу машины имеет вид зубчатой кривой (кривая 1). С учетом (25.18), (25.19) получим

или, учитывая, что произведение , получим выражение ЭДС машины постоянного тока (В):

, (25.20)

где - постоянная для данной машины величина;

- полюсное деление, мм;

- расчетная длина якоря, мм

N - число пазовых проводников в обмотке якоря

- коэффициент полюсного перекрытия

Ф - основной магнитный поток, Вб;

- частота вращения якоря, об/мин.

На ЭДС машины влияет положение щеток: при нахождении щеток на геометрической нейтрали ЭДС наибольшая, так как в этом случае в каждой параллельной ветви обмотки все секции имеют одинаковое направление ЭДС; если же щетки сместить с нейтрали, то в параллельных ветвях окажутся секции с противоположным направлением ЭДС, в результате ЭДС обмотки якоря будет уменьшена.

При достаточно большом числе коллекторных пластин уменьшения ЭДС машины при сдвиге щеток с нейтрали учитывается множителем :

, (25.22)

где -- угол смещения оси щеток относительно нейтрали (рис. 25. 15).

Рис. 25.15. Наведение ЭДС в обмотке якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали на угол

Электромагнитный момент. При прохождении по пазовым проводникам обмотки якоря тока на каждом из проводников появляется электромагнитная сила

.

Совокупность всех электромагнитных сил на якоре, действующих на плечо, равное радиусу сердечника якоря , создает на якоре электромагнитный момент М.

Исходя из прямоугольного закона распределения магнитной индукции в зазоре (см. рис. 25.14, а, график 2), следует считать, что сила одновременно действует на число пазовых проводников .

Электромагнитный момент машины при ее работе в двигательном режиме является вращающим, а при генераторном режиме -- тормозящим по отношению к вращающему моменту приводного двигателя.

Электромагнитный момент определяется выражением:

,

где -- угловая скорость вращения;

Отсюда следует, что в машинах равной мощности электромагнитный момент больше у машины с меньшей частотой вращения якоря.

ВЫБОР ТИПА ОБМОТКИ ЯКОРЯ

Применение в машине постоянного тока того или иного типа обмотки якоря определяется технико-экономическими требованиями. Выбранный тип обмотки должен обеспечивать в машине необходимую ЭДС при заданном токе. При этом следует стремиться к минимальному числу уравнительных соединений. Требования экономического характера при выборе типа обмотки сводятся к возможно лучшему использованию пазов сердечника якоря, что определяется значением коэффициента заполнения паза медью.

Выбранный тип обмотки должен содержать возможно меньшее число пазовых проводников N, так как в противном случае значительная часть площади паза будет занята изоляцией этих проводников.

. (25.28)

Отсюда следует, что при заданных и число проводников в обмотке прямо пропорционально числу пар параллельных ветвей. Поэтому при выборе типа обмотки следует отдавать предпочтение обмоткам якоря с минимальным числом параллельных ветвей, например, простой волновой обмотке с 2 = 2, которая к тому же не требует уравнительных соединений.

ПУСК ДВИГАТЕЛЯ

В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен и в его обмотке не индуцируется ЭДС . Поэтому при подключении двигателя к сети в обмотке его якоря возникает пусковой ток, значение которого достигает недопустимо больших значений, в 10--20 раз превышающих номинальный ток двигателя.

Такой большой пусковой ток опасен для двигателя. Во-первых, он может вызвать в машине круговой огонь, а во-вторых, при таком токе в двигателе развивается большой пусковой момент, который оказывает ударное действие на вращающиеся части двигателя и может механически их разрушить, в-третьих, ток вызывает резкое падение напряжения в сети, что неблагоприятно отражается на работе других потребителей, включенных в эту сеть. Поэтому пуск двигателя непосредственным подключением в сеть (безреостатный пуск) обычно применяют для двигателей малой мощности (не более 1,0 кВт). В двигателях большей мощности для ограничения пускового тока используют пусковые реостаты (ПР), включаемые последовательно в цепь якоря (реостатный пуск).

При пуске двигателя в цепь якоря двигателя подключают сопротивление реостата .

Рис. 29.2. Схема включения пускового реостата

По мере разгона якоря двигателя рычаг пускового реостата переключают в положения 2, 3 и т. д. В положении 5 рычага реостата пуск двигателя заканчивается . Сопротивление пускового реостата выбирают обычно таким, чтобы наибольший пусковой ток превышал номинальный не более чем в 2--3 раза.

Так как вращающий момент двигателя М прямо пропорционален потоку Ф, то для облегчения пуска двигателя параллельного и смешанного возбуждения сопротивление реостата в цепи возбуждения следует полностью вывести . Поток возбуждения Ф в этом случае получает наибольшее значение и двигатель развивает необходимый вращающий момент при меньшем токе якоря.

Для пуска двигателей большей мощности применять пусковые реостаты нецелесообразно, так как это вызвало бы значительные потери энергии. Кроме того, пусковые реостаты были бы громоздкими. Поэтому в двигателях большой мощности применяют безреостатный пуск двигателя путем понижения напряжения.

СПОСОБЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Для работы электрической машины необходимо наличие магнитного поля. В большинстве машин постоянного тока это поле создается обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током. Свойства машин постоянного тока в значительной степени определяются способом включения обмотки возбуждения, т. е. способом возбуждения.

По способам возбуждения машины постоянного тока можно классифицировать следующим образом:

машины независимого возбуждения, в которых обмотка возбуждения (ОВ) питается постоянным током от источника, электрически не связанного с обмоткой якоря (рис. 26.8, а);

машины параллельного возбуждения, в которых обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены параллельно (рис. 26.8, б);

машины последовательного возбуждения (обычно применяемые в качестве двигателей), в которых обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно (рис. 26.8, в)

машины смешанного возбуждения, в которых имеются две обмотки возбуждения -- параллельная ОВ1 и последовательная ОВ2 (рис. 26.8, г);

машины с возбуждением постоянными магнитами (рис. 26.8,).

Рис. 26.8. Способы возбуждения машин постоянного

Все указанные машины (кроме последних) относятся к машинам с электромагнитным возбуждением, так как магнитное поле в них создается электрическим током, проходящим в обмотке возбуждения.

Начала и концы машин постоянного тока согласно ГОСТу обозначаются: обмотка якоря -- Я1 и Я2, обмотка добавочных полюсов -- Д1 и Д2, компенсационная обмотка -- К1 и К2, обмотка возбуждения независимая -- М1 и М2, обмотка возбуждения параллельная (шунтовая) -- Ш1 и Ш2, обмотка возбуждения последовательная (сериесная) -- С1 и С2.

ДВИГАТЕЛЬ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Характерной особенностью двигателя параллельного возбуждения является то, что ток в обмотке возбуждения (ОВ) не зависит от тока нагрузки (тока якоря). Реостат в цепи возбуждения служит для регулирования тока в обмотке возбуждения и магнитного потока главных полюсов.

Рис. 29.3. Схема двигателя параллельного возбуждения () и его рабочие характеристики ()

Эксплуатационные свойства двигателя определяются его рабочими характеристиками, под которыми понимают зависимость частоты вращения n, тока I, полезного момента M₂, вращающего момента M от мощности на валу двигателя Р₂ при и (рис. 29.3, 6).

Частота вращения двигателя с ростом нагрузки Р₂ уменьшается, а график скоростной характеристики приобретает падающий вид с небольшой выпуклостью, обращенной к оси абсцисс. Если же реакция якоря в двигателе сопровождается более значительным ослаблением потока Ф, то частота вращения с увеличением нагрузки будет возрастать, как это показано штриховой кривой на рис. 29.3, б. Однако такая зависимость является нежелательной, так как она не удовлетворяет условию устойчивой работы двигателя: с ростом нагрузки на двигатель возрастает частота вращения, что ведет к дополнительному росту нагрузки. Чтобы обеспечить характеристике частоты вращения форму падающей кривой, в некоторых двигателях параллельного возбуждения применяют легкую (с небольшим числом витков) последовательную обмотку возбуждения, которую называют стабилизирующей обмоткой. При включении этой обмотки согласованно с параллельной обмоткой возбуждения ее МДС компенсирует размагничивающее действие реакции якоря так, что поток Ф во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменным.

Зависимость полезного момента от нагрузки установлена формулой . При график имел бы вид прямой. Однако с увеличением нагрузки частота вращения двигателя снижается, и поэтому зависимость криволинейна.

График зависимости вращающего момента двигателя проходит параллельно кривой , т.к. при Если принять поток , то график является в то же время выражением зависимости ,так как .

РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

электрическая машина ток генератор двигатель

Способы регулирования частоты вращения двигателей оцениваются следующими показателями: плавностью регулирования; диапазоном регулирования, определяемым отношением наибольшей частоты вращения к наименьшей; экономичностью регулирования, определяемой стоимостью регулирующей аппаратуры и потерями электроэнергии в ней.

Если пренебречь реакцией якоря, то механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения представляет собой прямую линию, наклоненную к оси абсцисс (рис. 29.4, а). Регулировать частоту вращения двигателя параллельного возбуждения можно изменением сопротивления в цепи якоря, изменением основного магнитного потока Ф, изменением напряжения в цепи якоря.



а -- при введении в цепь якоря добавочного сопротивления;

б -- при изменении основного магнитного потока;

в -- при изменении напряжения в цепи якоря

Рис. 29.4. Механические характеристики двигателя параллельного возбуждения

Введение дополнительного сопротивления в цепь якоря. Дополнительное сопротивление (реостат ) включают в цепь якоря аналогично пусковому реостату (ПР). Однако в отличие от последнего оно должно быть рассчитано на продолжительное протекание тока.

Этот способ обеспечивает плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне (только в сторону уменьшения частоты от номинальной), однако он неэкономичен из-за значительных потерь электроэнергии в регулировочном реостате , которые интенсивно растут с увеличением мощности двигателя.

Изменение основного магнитного потока. Этот способ регулирования в двигателе параллельного возбуждения реализуется посредством реостата в цепи обмотки возбуждения (см. рис. 29.3, а). Так, при уменьшении сопротивления реостата возрастает магнитный поток обмотки возбуждения, что сопровождается понижением частоты вращения. При увеличении частота вращения растет. Зависимость частоты вращения от тока возбуждения выражается регулировочной характеристикой двигателя при и .

При небольшом нагрузочном моменте на валу двигателя максимальная частота вращения во много раз превосходит номинальную частоту вращения двигателя и является недопустимой по условиям механической прочности двигателя, т. е. может привести к его «разносу». Учитывая это, при выборе реостата необходимо следить за тем, чтобы при полностью введенном его сопротивлении частота вращения двигателя не превысила допустимого значения. Например, для двигателей серии 2П допускается превышение частоты вращения над номинальной не более чем в 2--3 раза.

Рассмотренный способ регулирования частоты вращения прост и экономичен, так как в двигателях параллельного возбуждения ток , а поэтому потери в регулировочном реостате невелики. Диапазон регулирования обычно составляет .

Недостаток рассмотренного способа регулирования частоты вращения состоит в том, что при изменении магнитного потока Ф меняется угол наклона механической характеристики двигателя.

Изменение напряжения в цепи якоря. Регулирование частоты вращения двигателя изменением питающего напряжения применяется лишь при , т. е. при раздельном питании цепей обмотки якоря и обмотки возбуждения при независимом возбуждении.

Частота вращения в режиме х.х. пропорциональна напряжению, а от напряжения не зависит, поэтому механические характеристики двигателя при изменении напряжения не меняют угла наклона к оси абсцисс, а смещаются по высоте, оставаясь параллельными друг другу (см. рис. 29.4, в).

Для осуществления этого способа регулирования необходимо цепь якоря двигателя подключить к источнику питания с регулируемым напряжением.

Для управления двигателями малой и средней мощности в качестве такого источника можно применить регулируемый выпрямитель, в котором напряжение постоянного тока меняется регулировочным автотрансформатором (АТ), включенным на входе выпрямителя (рис. 29.6,).