Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие вопросы машин постоянного тока



1. Принцип действия машин постоянного тока

Электрическими машинами постоянного тока называют электромеханические устройства, которые преобразуют механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока (режим генератора) или электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию (режим двигателя).

Изучение машин постоянного тока удобно начинать с рассмотрения принципа действия простейшей машины переменного тока.

На рис. 1 схематично показана конструкция машины, магнитная цепь которой состоит из двух полюсов постоянного магнита N и S, предназначенных для создания магнитного поля. Силовые линии этого магнитного поля направлены от северного полюса N к южному полюсу S.

Рис. 1

В магнитном поле находится барабан, на поверхности которого расположен виток проводника abcd. Активные стороны витка ab и cd проходят по образующей барабана. Выводы витка соединены с контактными кольцами и , зафиксированными на валу барабана.

Заставим вращаться барабан с помощью внешнего источника механической энергии с постоянной скоростью против часовой стрелки. В соответствии с законом электромагнитной индукции, сформулированным Фарадеем, в проводнике, движущемся в равномерном магнитном поле под углом , к силовым линиям, наводится ЭДС, величина которой определится уравнением , где e - мгновенное значение электродвижущей силы;

l длина проводника; B индукция магнитного поля; v - линейная скорость перемещения проводника; угол между вектором скорости и вектором индукции магнитного поля.

Направление электродвижущей силы определяется по правилу правой руки. Применяя это правило к проводнику ab, мы видим, что в рассматриваемом случае ЭДС направлена к нам, а в проводнике dc от нас. Результирующая ЭДС витка определится суммой электродвижущих сил проводников ab и dc.

Если барабан, радиус которого равен r, вращается со скоростью n (об/мин), тогда линейная скорость перемещения проводника может быть определена с помощью уравнения

,

где (1/с), (м/с).

Для случая вращательного движения:

,

где Щ угловая или циклическая скорость вращения витка; r радиус барабана.

Подставляя в выражение для определения ЭДС полученные значения скорости и угла , получим для одного из проводников:

.

ЭДС двух последовательно соединенных проводников (ab и dc) будет в два раза больше

, или , .

Так как произведение является площадью витка, то максимальное значение магнитного потока, пронизывающего этот виток будет равен: .

Откуда получим уравнение для определения ЭДС

.

Временная диаграмма изменения ЭДС витка представлена на рис. 2

Рис. 2

Частота электродвижущей силы определяется следующим образом. Отрезок времени, в течение которого совершается одно полное колебание синусоидальной функции, называется периодом. В то же время за одно полное колебание фаза синусоидальной функции изменяется на радиан. Тогда , а . , .

Максимальное значение ЭДС или амплитуда электродвижущей силы

.

Мгновенное значение ЭДС будет выражено уравнением

.

Рассматриваемая машина имеет одну пару полюсов. В этом случае за один оборот якоря машины ЭДС совершит один полный цикл изменения, равный полному периоду. На практике имеются машины с двумя, тремя и большим количеством пар полюсов. Если машина имеет p пар полюсов, то за один оборот барабана ЭДС изменится p раз и будет иметь частоту в p раз больше.

Так как скорость вращения рамки и частота электродвижущей силы не равны между собой, введем понятие угловой частоты .

Тогда , следовательно, и .

Действующее значение ЭДС одного витка

.

Если рамка, расположенная на барабане, имеет N витков, тогда действующее значение ЭДС будет равно .

Рассмотренная машина генерирует синусоидальную ЭДС. Для получения ЭДС, полярность которой не изменялась бы во времени, необходим выпрямитель, т. е. устройство, преобразующее переменную ЭДС в однополярную. Роль такого преобразователя в машинах постоянного тока играет коллектор. Принцип действия коллектора легко понять из рис. 3.



Рис. 3

Концы витка подключены к двум пластинам коллектора, представляющим собой два полукольца и . Эти полукольца изолированы друг от друга и от вала, на котором закреплен коллектор. По поверхности пластин скользят щетки и , осуществляющие электрическую связь вращающегося витка с внешней цепью.

Для выпрямления тока щетки необходимо располагать таким образом, чтобы их переход с одной пластины на другую происходил бы в тот момент, когда ЭДС в витке будет равна нулю. На рисунке это соответствует вертикальной линии, проведенной через точки касания щеток коллекторных пластин. Так как барабан вращается, ЭДС витка будет переменной. Верхняя щетка будет всегда иметь электрический контакт с пластиной коллектора, к которой подключен проводник, расположенный под северным полюсом. Аналогичные рассуждения справедливы и для нижней щетки. Таким образом, щетка будет всегда иметь положительный потенциал относительно нижней щетки. Временная диаграмма электродвижущей силы на щетках машины представлена на рис. 4.

Рис. 4



Позже будет сказано о том, что постоянное напряжение с меньшими пульсациями получают путем увеличения количества секций обмотки якоря электрической машины.

Барабан с расположенными на нем проводниками и коллектором в машинах принято называть якорем.

Принцип действия машин постоянного тока мы рассмотрели на примере генератора постоянного тока. Однако эти машины обладают свойством обратимости, т. е. одна и та же машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Если к зажимам генератора постоянного тока подвести постоянное напряжение, то якорь такой машины начнет вращаться, преобразуя энергию постоянного тока в механическую энергию.



2. Конструкция машин постоянного тока

Машины постоянного тока состоят из двух основных частей (рис. 5):

1) из статора 1, предназначенного для создания магнитного поля;

2) из подвижной части или ротора 2, в котором происходит преобразование механической энергии в электрическую энергию, и наоборот.

Рис. 5

Неподвижная часть машины, или статор, предназначена для создания магнитного поля машины и одновременно для обеспечения механической прочности машины. Основная часть статора изготовлена из литой электротехнической стали и представляет собой полый барабан 1, предназначенный для формирования магнитного поля машины. Он называется магнитопроводом статора. Магнитопровод заключен между литыми фланцами, предназначенными для крепления подшипников, щеток и других элементов машины. На корпусе крепятся главные полюса машины 3 с расположенными на них катушками обмоток возбуждения 4.

В машинах постоянного тока большой мощности башмаки главных полюсов изготавливаются из мягкой электротехнической стали с высокой магнитной проницаемостью. Полюсы вместе с обмотками являются электромагнитами, предназначенными для создания магнитного поля электрической машины. Некоторые машины постоянного тока большой мощности имеют дополнительные полюсы 5, расположенные между главными полюсами. Они предназначены для улучшения условий коммутации, сущность которой будет понятна ниже.

Якорь 2 представляет собой сплошной цилиндр, набранный из листов электротехнической стали, с пазами по образующей, предназначенными для укладки якорной обмотки. Конфигурация пазов может быть самой разнообразной и зависит от мощности и предназначения машины. На оси якоря крепится коллекторное устройство или коллектор 6.

Коллекторные пластины 6 изготавливаются из электролитической меди и имеют специальную форму, удобную для закрепления коллекторного устройства на оси. На одну из сторон коллекторных пластин распаяны концы секций якорной обмотки. Изолированные друг от друга и от оси якоря пластины образуют барабан с цилиндрической поверхностью.

Для улучшения конструкции и снижения себестоимости машины пазы иногда выполняются с таким расчетом, что в них могут быть уложены не две, а четыре, шесть и более активных сторон секций. В этом случае количество реальных пазов якоря в два, три, четыре раза меньше количества секций. Для исключения разночтения вводятся понятия реального паза и элементарного паза. Количество элементарных пазов всегда равно количеству секций и количеству коллекторных пластин. Количество реальных пазов может быть равно количеству элементарных пазов или в 2, 3, 4 и более раз меньше.



3. Обмотки якоря машин постоянного тока

Важным элементом машины постоянного тока является обмотка якоря. Якорь может быть кольцевым или барабанным. Первая конструкция не нашла широкого распространения из-за неэффективности использования обмоточного провода якорной обмотки, поэтому обмотка якоря такой конструкции здесь не рассматривается.

Барабанный якорь представляет собой цилиндр, набранный из листов электротехнической стали. На поверхности цилиндра имеются пазы, в которые укладывается обмотка. Обмотки барабанных якорей выполняются двухслойными или многослойными, т. е. в одном пазу располагаются две и более активных сторон секций.

Секцией называют катушку, состоящую из витков изолированного провода, подключаемую к двум коллекторным пластинам. Общий вид секции представлен на рис. 6. Стороны ab и cd секции укладываются в пазы. Секции имеют две активные стороны (ab и dc), пассивные соединительные стороны, которые не участвуют в процессе преобразования энергии, и выводы или концы секции, роль которых заключается в подсоединении секций к пластинам коллектора. Геометрические размеры секций определяются размерами якоря, схемой соединения секций между собой и расположением коллектора на оси якоря. Технология изготовления секций достаточно проста для машин малой мощности и усложняется с увеличением мощности машины, что связано с необходимостью использования проводников большого сечения.

Рис. 6

В большей части электрических машин постоянного тока используются следующие типы якорных обмоток:

а) простая петлевая обмотка;

б) простая волновая обмотка;

в) сложная петлевая обмотка;

г) сложная волновая обмотка.

Существуют и более сложные конструкции якорных обмоток машин постоянного тока.

3.1 Принципы реализации обмотки якоря и основные понятия

Для укладки обмотки якоря в барабане магнитопровода выполняются продольные пазы. Форма и количество реальных пазов различны и зависят от мощности машины, способа изоляции и типа обмотки якоря. В любом случае вся обмотка якоря делится на отдельные секции, содержащие некоторое количество витков и имеющие определенную форму, удобную для укладки в пазы.

Каждая секция имеет две активные стороны, находящиеся непосредственно в пазах (рис. 7, стороны 1 и 2), фронтальные стороны, не участвующие в процессе преобразования энергии (см. рис. 7, стороны 3 и 4), и выводы, предназначенные для подключения секции к пластинам коллектора.

Рис. 7

Формы секций зависят от типа обмотки. В случае простой петлевой обмотки выводы секций соединяются с соседними коллекторными пластинами, поэтому расстояние между концами секций определяется расстоянием между соседними пластинами (рис. 8, а).

Рис. 8

В случае простой волновой обмотки форма секций должна предусматривать подключение к пластинам, расположенным на определенном расстоянии друг от друга (рис. 8, б).

Как указывалось ранее, число витков секций зависит от количества проводников обмотки якоря, общего количества секций обмотки якоря и количества коллекторных пластин. Если обмотка должна содержать N проводников при количестве коллекторных пластин, равном K и S секций, то:

количество витков обмотки равно ;

количество секций равно числу коллекторных пластин , так как каждая секция имеет два конца, и к каждой коллекторной пластине подсоединяются два конца различных секций. Тогда число витков одной секции равно

или .

Активные стороны секций должны быть расположены по поверхности якоря таким образом, чтобы в них наводилась максимальная величина электродвижущей силы. Это будет тогда, когда расстояние между ними будет равно расстоянию между осями полюсов по поверхности якоря. Если одну активную сторону секции расположить на оси северного полюса, то вторая активная сторона должна находиться на оси южного полюса машины или рядом с ней. Для упрощения понимания технологии составления схем обмоток, необходимо ввести некоторые дополнительные определения.

Первым частичным шагом обмотки называют расстояние между двумя активными сторонами одной и той же секции, выраженное в элементарных пазах (рис. 9).

Рис. 9

Вторым частичным шагом обмотки называют расстояние, выраженное в элементарных пазах, между второй активной стороной первой секции и первой активной стороной второй секции, если секции соединены последовательно.

Полным шагом обмотки y называют расстояние между двумя активными сторонами соседних секций, находящимися под одноименными полюсами и выраженное в элементарных пазах.

Шагом по коллектору y_c называют расстояние между двумя коллекторными пластинами, к которым подключается секция, выраженная в интервалах между коллекторными пластинами.

Полюсным шагом называют число, равное числу элементарных пазов, приходящееся на один полюс машины.

В теории электрических машин используют понятие полюсного деления, численно равного пространственному углу поперечного сечения машины, приходящемуся на один полюс. Этот угол равен , где число пар полюсов машины.

Обмотки якорей машин постоянного тока бывают правоходовыми и левоходовыми. Для пояснения этих понятий необходимо пронумеровать пластины коллектора. Располагают якорь машины так, чтобы коллектор был бы со стороны монтажника. Нумерацию коллекторных пластин следует вести слева направо (см. рис. 2.9). Если при укладке секции петлевой обмотки или после первого обхода пазов ротора волновой обмотки отпайка секции производится на пластину, расположенную справа от начальной пластины, то имеет место правоходовая обмотка. Если отпайка производится на пластину, расположенную слева от исходной, то такая обмотка называется левоходовой. На рис. 2.9, а представлена часть правоходовой петлевой обмотки, а на рис. 2.9, б часть левоходовой петлевой обмотки. При конструировании машин постоянного тока чаще используются правоходовые обмотки.

Надежность электрических машин постоянного тока в большей степени зависит от надежности якоря, который работает в достаточно тяжелых условиях. Обмотка якоря в большей степени подвержена механическим и электрическим перегрузкам. Механические перегрузки определяются вращением и вибрацией якоря. Электрические перегрузки связаны с прохождением больших токов по якорной обмотке. Наибольшие проблемы создает обслуживание коллекторов машин постоянного тока, однако аварийные ситуации возникают чаще всего из-за обмоток якоря. Для ремонта машин постоянного тока необходимо уметь анализировать обмотки.

Задача анализа обмоток заключается в следующем:

а) следует понять способ определения геометрических размеров секций обмоток,

б) понять основные принципы укладки обмоток,

в) определить способ расположения секций в пазах,

г) освоить основные правила присоединения концов секций

к пластинам коллектора.

3.2 Простая петлевая обмотка

Отличительным признаком петлевой обмотки является то, что выводы одной и той же секции присоединяются к соседним коллекторным пластинам. Первые активные стороны соседних секций располагаются в соседних элементарных пазах, поэтому полный шаг обмотки равен единице, .

Согласно предыдущим рассуждениям активные стороны секции должны быть удалены друг от друга на расстояние, равное или близкое полюсному делению, поэтому первый частичный шаг может быть определен из формулы

,

где K - число элементарных пазов;

b - дробное или целое число, выбранное таким образом, чтобы число было бы всегда целым;

p - число пар полюсов машины.

При использовании знака плюс получают обмотку с удлиненным первым частичным шагом, при b, равным нулю, получают обмотку с нормальным шагом и при знаке минус с укороченным шагом. Наибольшее распространение получили обмотки с нормальным и укороченным шагом, что объясняется технологическими соображениями.

Шаг по коллектору или полный шаг петлевой обмотки будет равен , тогда как .

Если , то получают правообегающую или правоходовую (рис. 10, а) обмотку, если , то получают левообегающую или левоходовую обмотку (рис. 10, б).

а б

Рис. 10

Отличие обмоток заключается в том, что последующая секция правоходовой обмотки находится справа от предыдущей секции, а у левоходовой обмотки она находится слева от предыдущей. Первый тип обмотки называют еще нескрещенной обмоткой. Второй тип петлевой обмотки называют левоходовой или скрещенной обмоткой.

Развернутая схема нескрещенной простой петлевой обмотки якоря четырехполюсной машины, имеющей 14 коллекторных пластин, 14 реальных и элементарных пазов представлена на рис. 11.

Рис. 11

Число элементарных пазов , число пар полюсов . Первый частичный шаг обмотки . Полный шаг обмотки . Второй частичный шаг обмотки . Шаг по коллектору равен полному шагу .

Для упрощения начертания схемы укладки обмоток машин секции представляются одновитковыми.

В соответствии со схемой укладки обмотки активные стороны первой секции укладываются в первый и пятый пазы якоря. Выводы первой секции подключаются к первой и второй коллекторным пластинам. Таким образом, данная обмотка является правоходовой. Активные секции второй обмотки укладываются во второй и шестой пазы якоря и подключаются ко второй и третьей пластинам. Последующие секции укладываются аналогично. Последняя секция уложена в четырнадцатый и четвертой пазы и подсоединена к четырнадцатой и первой пластинам. Полученная обмотка представляет собой последовательное замкнутое соединение четырнадцати секций, места соединения которых распаяны на коллекторные пластины.

Так как число пар полюсов равно двум, то количество щеток равно четырем. Они должны располагаться симметрично по коллектору. Если каждая секция подключается к коллекторным пластинам, интервал между которыми находится на оси симметрии секции, то щеткодержатель машины, работающей в режиме холостого хода, должен быть расположен так, чтобы щетки находились на оси главных полюсов машины (см. рис. 11).

Электрическая схема обмотки якоря рассмотренной выше машины представлена на рис. 12.

Рис. 12

В этой машине щетки попарно соединены между собой и образуют четыре параллельные ветви обмотки. При этом шестая и тринадцатая секции закорочены щетками. Число параллельных ветвей простой петлевой обмотки всегда равно количеству полюсов.

3.3 Простая волновая обмотка

В двухполюсной машине петлевая и волновая обмотки ничем не отличаются, поэтому о волновой обмотке можно говорить только в том случае, если число пар полюсов машины больше единицы. В простой волновой обмотке последовательно соединяются секции, расположенные под соседними парами полюсов.

На рис. 13 приведена схема волновой обмотки якоря четырехполюсной машины. Для того, чтобы обойти якорь этой машины один раз, необходимо соединить между собой две секции.

Рис. 13

После первого обхода по пазам якоря мы должны подойти к коллекторной пластине, расположенной рядом с исходной пластиной, после чего можно начать следующий обход якоря. Это необходимо для того, чтобы после первого обхода обмотка не стала короткозамкнутой. Последнее возможно тогда, когда количество элементарных пазов и количество коллекторных пластин будут нечетным числом.

Если при заводском изготовлении машина была рассчитана на использование волновой обмотки, то количество элементарных пазов машины должно быть кратно количеству полюсов плюс или минус один паз. Количество коллекторных пластин всегда равно количеству элементарных пазов. Первая активная сторона секции, уложенной в шестой паз, подключается к шестой коллекторной пластине (сплошная линия). Другая активная сторона этой секции уложена в десятый паз и отпаяна на четырнадцатую коллекторную пластину. Следующая секция одной стороной подключена к четырнадцатой пластине, а другим выводом подключена к седьмой коллекторной пластине. Таким образом, после укладки двух секций мы совершили один обход вокруг якоря. При этом мы пришли на пластину, расположенную справа от исходной шестой пластины. На основании этого можно сделать вывод о том, что данная обмотка является правоходовой.

За один обход вокруг якоря, считая от первой активной стороны первой секции, мы перемещаемся на пазов. Если общее количество пазов равно , то за один обход по поверхности якоря мы приходим на коллекторную пластину, расположенную рядом с той, с которой начинался обход, но за ней по направлению обхода. Если общее количество пазов равно , то после одного обхода мы приходим на коллекторную пластину, расположенную рядом c исходной по направлению, противоположную направлению обхода.

Иногда из конструктивных соображений в машинах малой мощности концы секций подключают к коллекторным пластинам, смещенным относительно оси симметрии секции на некоторый угол. Тогда и щетки должны быть смещены относительно главных полюсов на тот же угол, так как переключение секций обмотки якоря должно производиться в тот момент, когда активные стороны этой секции будут находиться в таких пазах, где индукция магнитного поля будет близкой к нулю.

При составлении схемы укладки обмотки якоря коллекторные пластины, пазы и активные стороны секций удобно пронумеровать для того, чтобы определить, какая активная сторона и какой секции укладывается первой и которая активная сторона укладывается последней. В этом случае шаг обмотки при или . Первый частичный шаг . Второй частичный шаг .

Различают скрещенные и нескрещенные обмотки. Если , получают скрещенную обмотку, при получают нескрещенную обмотку.

В приведенном примере рассматривается скрещенная волновая обмотка, у которой , и . Полный шаг обмотки . Первый частичный шаг . Второй частичный шаг .

Щетки такой обмотки при симметричном подключении выводов секций к коллекторным пластинам должны быть расположены на оси главных полюсов машины. При внимательном рассмотрении положения щеток можно отметить, что щетки отрицательного полюса, например, соединяют коллекторные пластины, к которым подключена одна из секций обмотки. То же самое можно сказать

и о щетках положительного полюса. Из этого можно сделать вывод о том, что все другие секции, последовательно соединенные между собой, образуют две параллельные ветви при любом количестве пар полюсов.

С другой стороны, машина будет функционировать даже в том случае, если удалить из щеткодержателя по одной из щеток каждого полюса (А2 и B2, например). В этом случае в четырехполюсной машине щетки могут быть расположены в пространстве под углом 90 . Однако на практике с целью уменьшения сопротивления перехода щетки - коллектор, как правило, используют все щетки.

3.4 Сложная волновая обмотка

В том случае, когда требуется увеличить число параллельных ветвей, например, в быстроходных машинах или в машинах с малым напряжением и большим током, применяют сложнопетлевую обмотку. Эту обмотку можно рассматривать как несколько простых петлевых обмоток, уложенных в пазы одного якоря. Эти обмотки соединяют между собой щетками и уравнительными соединениями.

Число параллельных ветвей такой обмотки равно числу параллельных ветвей одной петлевой обмотки, умноженному на число этих обмоток. Если число простых петлевых обмоток равно m, то число параллельных ветвей всей сложно-петлевой обмотки будет равно .

Для того, чтобы щетки могли соединить m обмоток, они должны перекрывать не менее m коллекторных пластин.

Шаг по коллектору простой петлевой обмотки равен . В сложно-петлевой обмотке (рис. 2.14) между коллекторными пластинами, к которым подключена секция первой простой петлевой обмотки, необходимо разместить еще коллекторных пластин для других петлевых обмоток. Шаг по коллектору в этом случае будет равен . Первый частичный шаг, который должен быть близок к полюсному делению, определяется из формулы .

На рис. 14 представлена схема сложнопетлевой обмотки с и числом пазов, равным .

Первый частичный шаг данной обмотки = . Полный шаг обмотки . Второй частичный шаг обмотки .

Представленная обмотка имеет параллельных ветвей.

Рис. 14



Электрическая схема обмотки представлена на рис. 15, а.

а б

Рис. 15

При выполнении сложнопетлевой обмотки могут встретиться различные случаи. При отсутствии щеток простые петлевые обмотки могут быть изолированы друг от друга. Это будет в том случае, когда количество элементарных пазов машины будет кратно количеству простых петлевых обмоток в сложной петлевой обмотке (см. рис. 15, а). Могут встретиться и другие варианты обмоток, когда, например, количество элементарных пазов не кратно числу простых петлевых обмоток. В этом случае можно получить замкнутые обмотки. На рис. 15, б приведена электрическая схема однократно замкнутой сложнопетлевой обмотки с двумя параллельными простыми петлевыми обмотками.

3.5 Сложноволновая обмотка

Сложноволновая обмотка представляет собой ряд волновых обмоток, уложенных в пазы одного якоря. Если каждая из простых волновых обмоток имеет по две параллельные ветви, то число параллельных ветвей сложноволновой обмотки должно иметь параллельных ветвей, где m - число простых волновых обмоток в сложной.

Между собой эти обмотки соединяются проводниками, которые называются уравнительными соединителями и, естественно, щетками на коллекторе, при этом каждая щетка должна перекрывать не менее a соседних коллекторных пластин.

Как и в случае простой волновой обмотки, количество параллельных ветвей сложноволновой обмотки не зависит от числа полюсов машины.

В простой волновой обмотке, сделав число шагов обмотки равным числу пар полюсов машины, обходят один раз вокруг якоря и подходят к секционной стороне, лежащей рядом с исходной. Далее продолжают обход вокруг якоря. В сложноволновой обмотке между исходной секционной стороной и началом следующего обхода необходимо оставить свободных элементарных пазов, которые будут заняты остальными простыми волновыми обмотками. Результирующий шаг обмотки по элементарным пазам

.

Таким образом, результирующий шаг обмотки .

Шаг по коллектору будет равен результирующему шагу по элементарным пазам. Первый частичный шаг по элементарным пазам и второй частичный шаг .

Схема сложноволновой обмотки приведена на рис. 16.

Рис. 16

Обмотка состоит из двух изолированных друг от друга простых волновых обмоток. Секции одной из обмоток подключены к четным коллекторным пластинам, а секции другой обмотки подключены к нечетным коллекторным пластинам. В этом нетрудно убедиться, проследив соединение секций между собой. Количество коллекторных пластин равно произведению количества коллекторных пластин простой волновой обмотки, которое должно быть нечетным, и количества простых волновых обмоток. В рассматриваемом случае количество коллекторных пластин простой волновой обмотки равно девяти. Общее количество коллекторных пластин при двух простых волновых обмотках равно восемнадцати.

Для машины с двумя парами полюсов и двумя простыми волновыми обмотками . Щетки перекрывают в этом случае не менее двух полных коллекторных пластин. Обмотка якоря может иметь эквипотенциальные соединения.



4. Эквипотенциальные соединения обмоток якоря

В обмотках якоря для улучшения работы машин большой мощности используются различного рода соединения между различными секциями.

Эквипотенциальные соединения первого рода.

Такие соединения используются в простых петлевых обмотках для выравнивания потенциалов ветвей, которые находятся под одноименными полюсами. Практика показывает, что ЭДС параллельных ветвей не равны между собой. Это вызвано неравенством воздушных зазоров под полюсами, несимметричным расположением щеток на коллекторе, эксцентриситетом поверхности якоря относительно оси вращения, неточностью изготовления литого корпуса и т. д. Неравенство ЭДС ветвей вызывает протекание уравнительных токов обмотки якоря. Уравнительные токи или неравенство токов параллельных ветвей увеличивают нагрузку на ветви обмоток и на щетки. Это приводит к нагреванию обмоток якоря, повышению температуры машины и снижению КПД.

Для частичного исключения этого явления необходимо исключить протекание уравнительных токов через щеточно-коллекторное устройство. Для этого находят точки, потенциалы которых теоретически должны быть равными в любой момент времени и соединяют их проводниками по возможности с наименьшими сопротивлениями. Такие точки имеются в обмотках с числом пар полюсов больше одной.

Эквипотенциальные соединения второго рода.

Простая волновая обмотка имеет две параллельные ветви. Секции этой обмотки в процессе коммутации переходят из одной ветви обмотки в другую, поэтому в такой обмотке невозможно найти точки равного потенциала в любой момент времени. Однако количество пар параллельных ветвей сложноволновой обмотки больше одной, поэтому две составляющие простые волновые обмотки имеют равнопотенциальные точки, которые могут быть соединены. Секции этих обмоток расположены под всеми полюсами машины, поэтому и ЭДС параллельных ветвей примерно равны между собой, но сопротивления ветвей не всегда одинаковы. Неравенство сопротивлений ветвей обмоток приводит к неравномерному распределению токов между параллельными ветвями.

Таким образом, отличие между эквипотенциальными соединениями первого и второго рода заключается в том, что первые компенсируют асимметрию магнитной системы машины, а вторые корректируют асимметрию распределения напряжения на коллекторе.

Эквипотенциальные соединения в сложнопетлевых обмотках.

В машинах со сложнопетлевыми обмотками используют обмотки с эквипотенциальными соединениями первого и второго рода. Соединения первого рода необходимы в простых петлевых обмотках. Соединения второго рода необходимы для выравнивания напряжений на коллекторе и для правильного распределения токов между различными простыми обмотками.

Рассмотрим, например, сложнопетлевую обмотку, представленную на рис. 17. электрический машина постоянный ток

Рис. 17

Одна простая обмотка соединена с нечетными коллекторными пластинами и составлена нечетными секциями, вторая же обмотка составлена четными секциями и подсоединена к четным коллекторным пластинам.

Эквипотенциальные соединения первого рода необходимо расположить со стороны коллектора или с противоположной стороны между секциями, отстоящими друг от друга на расстояние . Таким образом, необходимо соединить секции 111; 313 и т. д. первой обмотки и 212; 414 и т. д. второй обмотки. Соединения представлены со стороны коллектора.

Эквипотенциальные соединения второго рода более сложны. На рис. 18 представлены 1-я и 2-я секции обмотки. Концы 1-й секции соединены не на соседние пластины, а через пластину. Между соседними коллекторными пластинами 1 и 2 имеется напряжение, соответствующее половине напряжения секции. Для обеспечения нормального распределения напряжения между соседними пластинами необходимо соединить середину первой секции, которая находится с фронтальной стороны, противоположной коллектору, с промежуточной пластиной второго коллектора.

Рис. 18

На рис. 2.17 середина 5-й секции соединена с шестой коллекторной пластиной. Учитывая то, что промежуточная пластина соединена с другой обмоткой, эквипотенциальные соединения второго рода соединяют две простые петлевые обмотки.

Специальная смешанная обмотка якоря (лягушечья обмотка).

В машинах большой мощности иногда используют смешанную обмотку, называемую «лягушечьей», которая представляет собой совокупность простой петлевой и сложноволновой обмоток, позволяющих избежать применения эквипотенциальных соединений. Две обмотки соединены на тот же коллектор, а так как простая петлевая обмотка имеет пар полюсов, сложноволновая обмотка должна иметь такое же количество параллельных ветвей. Кроме этого, две обмотки составлены из одинакового количества секций и каждая из них обеспечивает пропуск половины общего тока. Секции с двух сторон объединены в один пучок, помещенный в пазы якоря в четыре слоя. На рис. 19 представлено распределение секций петлевой и волновой обмоток.

Рис. 19

Согласно схеме укладки обмотки секция петлевой обмотки и секция волновой обмотки образуют цепь , замкнутую щетками и перемычками, которые их объединяют. ЭДС в этой цепи равняется нулю, так как в активных сторонах cd и ef, которые находятся в одном и том же пазу, наводятся равные ЭДС, но противоположного направления. То же самое имеет место в сторонах ab и gh, если они находятся в пазах, отстоящих друг от друга на два полюсных деления.

В этих обмотках секции волновой обмотки играют роль эквипотенциальных соединений первого рода по отношению к петлевой обмотке, и секции петлевой обмотки играют роль эквипотенциальных соединений по отношению к волновой обмотке.



5. Способы создания магнитного поля или способы возбуждения машин постоянного тока

Одним из основных условий функционирования машин постоянного тока является наличие магнитного поля, которое может быть получено различными способами.

Один из простейших способов создания магнитного поля машин постоянного тока является использование постоянных магнитов в качестве источника этого поля. Однако такой способ весьма дорогостоящий и используется в машинах очень малой мощности. Магнитное поле машины может быть получено за счет использования электромагнитов, для чего в магнитной цепи располагается специальная обмотка, называемая обмоткой возбуждения. По этой обмотке пропускается постоянный ток, за счет чего и создается магнитное поле машины. Одна или несколько обмоток возбуждения располагаются на главных полюсах машины, которые и формируют картину поля в воздушном зазоре машины. Для питания обмоток возбуждения могут использоваться независимые источники питания. В этом случае машину называют машиной с независимым возбуждением. Генератор постоянного тока сам является мощным источником постоянного тока. Если для питания обмоток возбуждения используется сам генератор, то такая машина называется машиной с самовозбуждением. Обмотки главных полюсов машины подразделяются на обмотки, предназначенные для питания от независимых источников, обмотки, предназначенные для подключения параллельно обмотке якоря и для включения последовательно с обмоткой якоря.

В зависимости от способов возбуждения или создания магнитного поля машины постоянного тока делятся на машины с независимым возбуждением и машины с самовозбуждением.

Такое деление справедливо в большей степени для генераторного режима работы машины, так как машина, работающая в режиме двигателя, получает питание цепи возбуждения и якорной цепи от внешних источников постоянного тока.

Машины с независимым возбуждением подразделяют на следующие:

а) машины с постоянными магнитами (рис. 20, а);

б) машины с обмоткой возбуждения, питаемой от независимого источника (рис. 20, б).

Условное обозначение машин приведено на рис. 20.

г д

Рис. 20

Машины с самовозбуждением подразделяются на машины с параллельным (рис. 20, в), последовательным (рис. 20, г) и cмешанным возбуждением (рис. 20, д).

В последнем случае смешанного возбуждения, когда используются последовательная и параллельная обмотки, намагничивающие силы обмоток могут совпадать или не совпадать по направлению в зависимости от способа соединения обмоток.

Если намагничивающие силы обмоток совпадают по направлению, то магнитный поток главных полюсов пропорционален сумме намагничивающих сил обмоток. Такие машины называют машинами со смешанным возбуждением с согласным включением обмоток. Если же обмотки создают магнитные потоки противоположного направления, то результирующий магнитный поток главных полюсов будет пропорционален разности намагничивающих сил обмоток возбуждения. Такой способ возбуждения называют смешанным со встречным включением обмоток.

Таким образом, различают:

а) машины с независимым возбуждением:

1) машины с постоянными магнитами (см. рис. 20, а),

2) машины с обмотками, питаемыми от независимых источников (см. рис. 2.20, б) и

б) машины с самовозбуждением:

1) машины с параллельным возбуждением (см. рис. 20, в),

2) машины с последовательным возбуждением (см. рис. 20, г),

3) машины со смешанным возбуждением с согласным включением обмоток (см. рис. 20, д),

4) машины со смешанным возбуждением со встречным включением обмоток (см. рис. 20, д).



6. ЭДС якорной обмотки машин постоянного тока

При вращении якоря машины постоянного тока, магнитный поток которой не равен нулю, в его обмотке наводится электродвижущая сила, величина и полярность которой зависят от величины магнитного потока, от частоты вращения якоря и от конструктивных особенностей машины.

Магнитную цепь электрической машины проектируют с таким расчетом, чтобы векторы магнитной индукции были бы практически перпендикулярны поверхности якоря. Распределение же индукции по воздушному зазору, как указывалось ранее, неравномерно.

Электродвижущая сила одного проводника e длиной l, перемещающегося в магнитном поле перпендикулярно силовым линиям с линейной скоростью v, определяется с помощью уравнения

,

где B - индукция магнитного поля в зоне расположения проводника.

Если в пазах машины уложено N проводников обмотки якоря, которые образуют 2a параллельных ветви, то суммарная ЭДС обмотки определится следующим соотношением:

,

здесь а - число пар параллельных ветвей.

Частоту вращения якоря принято выражать в оборотах в минуту. Если якорь имеет радиус R и он вращается с частотой n об/мин, тогда линейную скорость перемещения проводников можно получить с помощью формулы



м/с.

Реальные значения индукций зазора заменим ее средним значением под каждым полюсом (рис. 21), тогда ЭДС каждой ветви обмотки якоря будет равной

Рис. 21

.

Полученное уравнение умножим и разделим на количество полюсов машины тогда

;

В этом уравнении является длиной средней линии воздушного зазора, приходящейся на один полюс. l есть длина проводников, находящихся в магнитном поле, т. е. это практически длина паза якоря или, что одно и то же, длина магнитопровода якоря. Величина является площадью поверхности якоря, приходящейся на один полюс машины. Но произведение этой площади S_n на среднее значение индукции B_cр равно магнитному потоку машины

.

ЭДС машины в этом случае

.

В полученной формуле величина постоянная для данной машины и зависит только от ее конструкции.

Обозначив , получим окончательную формулу для нахождения ЭДС машины:

,

где - конструктивная постоянная машины при определении ее ЭДС;

n частота вращения якоря;

Ф магнитный поток машины, который зависит в общем случае от намагничивающей силы обмотки возбуждения и, следовательно, от тока обмотки возбуждения I_в.

Полученная формула может быть использована для построения и объяснения поведения характеристик машин постоянного тока. Реальное значение электродвижущих сил якорных обмоток несколько ниже расчетных. Это объясняется следующим явлением. ЭДС отдельного проводника, как уже объяснялось ранее, пропорциональна индукции магнитного поля в зоне его расположения в каждый момент времени .

При вращении якоря со скоростью n эта ЭДС изменяется по периодическому закону, повторяющему по форме закон распределения индукции в зазоре (рис. 22).

Рис. 22

Как известно из курса электротехники, такая периодическая несинусоидальная функция может быть представлена в виде ряда Фурье для любого k-го витка

.

Секции обмотки якоря расположены в различных пазах, т. е. смещены в пространстве на определенный пространственный угол. Это приводит к тому, что гармонические соответствующие ЭДС каждой секции будут сдвинуты по фазе. В этом случае суммарная ЭДС ветви обмотки якоря, представляющая собой сумму мгновенных значений ЭДС отдельных витков, будет равна не сумме амплитуд соответствующих гармоник, а их векторной сумме с учетом разности фаз. Для более наглядного объяснения обычно используют векторно-топографическую диаграмму первых гармоник ЭДС якорной обмотки (рис. 23).

Рис. 23

Здесь Е₁, Е₂, Е₃, Е₄, Е₅, Е₆ векторы ЭДС секций одной из параллельных ветвей двухполюсной машины, имеющей на поверхности якоря 12 пазов для укладки обмоток. В такой машине секции якорной обмотки сдвинуты в пространстве на 30 пространственных градусов. Как следует из приведенного примера, результирующая ЭДС Е всегда меньше суммы действующих значений ЭДС секций. Векторная сумма других гармонических составляющих ЭДС секций дает похожий результат.

Таким образом, ЭДС якорной обмотки реальной машины всегда меньше расчетного значения. Это уменьшение учитывается путем введения дополнительного коэффициента в постоянную С_e формулы определения ЭДС . Значение этого коэффициента уточняется экспериментально.



7. Механический момент на валу машины постоянного тока

Машины постоянного тока являются машинами обратимыми. Они могут работать как в режиме генератора, преобразующего механическую энергию в электрическую, так и в режиме двигателя, преобразующего механическую энергию в электрическую. И в том, и в другом случае на валу машины имеется механический момент. Если пренебречь механическими потерями в машине, то величина этого момента складывается из механических моментов, воздействующих на проводники якорной обмотки. Сила, действующая на проводник с током I' длиной l, находящийся в магнитном поле с индукцией B, определяется из формулы .

Механический момент, создаваемый одним проводником, , где R радиус якоря.

Если в пазах якоря уложено N проводников, то, используя среднее значение индукции ,

.

Если общий ток якоря I, а обмотка имеет 2a параллельных ветвей, то ток одного проводника обмотки в 2a раза меньше общего тока, т. е. , тогда .

Введя в формулу величину диаметра якоря и умножив числитель и знаменатель коэффициента на , получим:

.



Умножим и разделим полученное выражение на количество полюсов машины , тогда

.

Величина является длиной окружности якоря, умноженной на длину внешней поверхности якоря, т. е. площадью поверхности якоря. Эта площадь, разделенная на количество полюсов, определит площадь якоря, находящуюся над одним полюсом

.

Но произведение среднего значения индукции на эту площадь равно магнитному потоку машины или

.

Подставляя это значение в формулу, получаем:

.

Обозначив постоянной , т. е. постоянной, зависящей лишь от конструкции машины, получим:

.

Таким образом, механический момент на валу машины постоянного тока зависит от конструкции машины и пропорционален магнитному потоку и току якоря.

Как ЭДС, так и механический момент пропорционален магнитному потоку, который, в свою очередь, является функцией тока возбуждения. Связь между магнитным потоком и током возбуждения зависит от геометрических размеров магнитной цепи машины и кривой намагничивания материала магнитной цепи.

Для определения ЭДС машины и механического момента использованы две постоянные, зависящие от конструкции машины

и .

Следовательно, или .



8. Магнитное поле машины постоянного тока, работающей в режиме холостого хода

Магнитная цепь машин постоянного тока состоит из статора в форме полого цилиндра с закрепленными на нем полюсами и якоря в виде цилиндра с пазами для укладки обмотки. Статор изготавливается из литой электротехнической стали с большой магнитной проницаемостью.

Главные полюса машины, предназначенные для формирования магнитного поля в воздушном зазоре, могут быть изготовлены как из литой, так и из листовой электротехнической стали. Якорь машины в форме цилиндра представляет собой пакет из листов электротехнической стали, что обусловлено необходимостью уменьшения потерь на перемагничивание и на вихревые токи в магнитопроводе якоря, который вращается в магнитном поле машины. Вращение магнитопровода якоря в магнитном поле машины приводит к появлению вихревых токов, что приводит к потерям в магнитопроводе якоря.

Магнитный поток создается намагничивающей силой обмоток возбуждения, расположенных на главных полюсах. Вся магнитная цепь машины служит для формирования магнитного поля в воздушном зазоре, где расположена обмотка якоря, являющаяся основным элементом преобразования электрической энергии в механическую, и наоборот.

Магнитная индукция магнитного поля воздушного зазора в зависимости от пространственного угла реальных машин распределяется по сложному закону, график которого представлен на рис. 21. Общая картина магнитного поля машины, ток якоря которой равен нулю, представлена на рис. 24, а.



Рис. 24

Следует отметить то, что в точках воздушного зазора, расположенных на оси симметрии машины, проходящей между главными полюсами (ОО'), индукция равна нулю, и она имеет максимальное значение на оси главных полюсов. Все высказывания справедливы для машины постоянного тока, ток якоря которой равняется нулю, т. е. для машины, работающей в режиме холостого хода.

Для изменения магнитного потока машины, что эквивалентно пропорциональному изменению индукции в любой точке воздушного зазора, необходимо изменить ток этих обмоток, т. е. ток возбуждения. Для изменения направления магнитного потока следует изменить полярность напряжения, питающего обмотку возбуждения.



9. Магнитное поле нагруженной машины постоянного тока. Реакция якоря

В машинах, работающих в режиме холостого хода, магнитное поле создается только намагничивающей силой обмоток главных полюсов. При этом поле симметрично относительно оси симметрии машины ОО', и линия, проходящая через точки воздушного зазора, в которых индукция равна нулю NN', совпадает с осью симметрии машины. Первую линию называют геометрической нейтралью, а вторую линию магнитной нейтралью. И говорят о том, что в ненагруженной машине магнитная нейтраль NN' совпадает с геометрической нейтралью ОО'.

В том же случае, когда электромагнитная мощность не равняется нулю, ток обмотки якоря не равен нулю. Магнитное поле машины так же, как величина магнитного потока и распределение индукции в зазоре, зависит не только от намагничивающей силы обмоток главных полюсов, но и от намагничивающей силы обмотки якоря, которая создает свою составляющую магнитного потока.

На рис. 24, а магнитное поле, созданное обмотками возбуждения главных полюсов, представлено сплошными силовыми линиями, проходящими в основном по статору машины, главным полюсам, зазору и магнитной цепи ротора. Магнитное поле, образованное обмоткой якоря при направлении тока, указанном на рисунке пунктирными линиями, сосредоточено в основном в башмаках главных полюсов, воздушном зазоре и внешней части якоря. Оно представлено пунктирными силовыми линиями под северным и южным полюсами.

Очевидно то, что под левым краем северного полюса и под правым краем южного полюса силовые линии магнитных полей противоположны, тогда как под другими краями полюсов совпадают.

Таким образом, под левым краем северного полюса и под правым краем южного магнитное поле якоря ослабляет поле главных полюсов и усиливает под другими краями. Результирующее магнитное поле не будет симметричным (см. рис. 24, б). Искажение магнитного поля машины под действием намагничивающей силы обмотки якоря называют реакцией якоря. Из-за реакции якоря точки воздушного зазора с нулевым значением индукции сместятся в нашем случае против часовой стрелки относительно геометрической нейтрали. В этом случае говорят, что в нагруженной машине постоянного тока магнитная нейтраль не совпадает с геометрической нейтралью.

Распределение индукции магнитного поля в зазоре машины изображено на рис. 25, где пунктиром представлен график распределения индукции

в зазоре машины, работающей в режиме холостого хода, а сплошной в зазоре нагруженной машины.

Смещение магнитной нейтрали в нагруженной машине осложняет условия переключения якорной обмотки щеточно-коллекторным устройством и приводит к искрению на коллекторе, поэтому щетки желательно располагать на магнитной нейтрали (см. рис. 25). Более подробно это явление будет рассмотрено ниже.

Рис. 25

Искажение магнитного поля за счет реакции якоря приводит не только к смещению магнитной нейтрали, но и к ослаблению результирующего магнитного потока. Намагничивающая сила обмотки якоря ослабляет индукцию

в правой части башмака северного полюса. Кривая же намагничивания электротехнической стали B = f(H) нелинейна (рис. 26).

Рис. 26

Напряженность магнитного поля в левой части полюсного башмака увеличивается на ,