Синхронные машины. Машины постоянного тока

Рис. 2.10 – Щетки машин малой (а) и большой (б) мощности:

1 – щетка, 2 – щеточный канатик, 3 – кабельный наконечник

На коллектор накладываются щетки А и В, посредством которых вращающаяся обмотка якоря соединяется с внешней цепью. При вращении якоря между щетками А и В действует постоянная по величине э.д. с. Е, равная сумме э. д. с, индуктированных во всех последовательно соединенных витках обмотки якоря, которые включены между щетками. Чтобы подать от обмотки якоря во внешнюю цепь максимальное напряжение, ее нужно присоединить к двум точкам обмотки якоря, между которыми действует наибольшая разность потенциалов. Такими точками при холостом ходе машины являются точки а и b (рис. 2.11, б), расположенные на геометрической нейтрали, где и следует устанавливать щетки А и В.

Рис. 2.11 – Якорь машины постоянного тока (а), упрощенная схема его обмотки (б) и векторная диаграмма индуктируемых в ней э. д. с (в):

1 – обмотка якоря, 2 – коллектор

При вращении якоря точки а и b смещаются с геометрической нейтрали, но к щеткам будут подходить все новые и новые точки обмотки, между которыми действует э.д. с. Е, поэтому э.д. с. во внешней цепи будет неизменна по величине и направлению. Уменьшения пульсаций э. д. с. Е при переходе щеток с одной коллекторной пластины на другую добиваются установкой большого числа коллекторных пластин; число коллекторных пластин, приходящихся на одну параллельную ветвь обмотки якоря, должно быть не менее восьми.

Если заменить несинусоидальную э.д. с, индуктируемую в витках обмотки якоря, эквивалентной синусоидальной э.д. с, то действующая между щетками А и В э.д.с. Е может быть получена из векторной диаграммы (рис. 2.11, в). Из нее следует, что при достаточно большом числе секций обмотки якоря э. д. с. Ė будет практически неизменна во времени и равна диаметру окружности, описанной вокруг многоугольника э.д. с. ė1, ė2, ė3 и т.д., индуктированных в отдельных витках этой обмотки.

Щетки А и В разделяют рассматриваемую обмотку на две параллельные ветви, в каждой из которых действует э.д. с. Е. При разомкнутой внешней цепи ток по обмотке не проходит, так как э.д.с, индуктированные в двух ее ветвях, направлены встречно и взаимно компенсируются. Полная компенсация будет, очевидно, иметь место при строго симметричном выполнении обмотки и равенстве магнитных потоков полюсов; условие симметрии в случае двухполюсной обмотки сводится к равномерному распределению проводников на внешней поверхности якоря.

Электродвижущая сила. Мгновенное значение э.д. с, индуктируемой в каждом активном проводнике (рис. 2.12),

,                                                             (2.1)

где Вх–индукция в рассматриваемой точке х воздушного зазора; va–окружная скорость якоря; lа–длина проводника в магнитном поле.

Следовательно,

.                                              (2.2)

Здесь N – общее числа активных проводников обмотки якоря; N/2а – число активных проводников, входящих в одну параллельную ветвь.

При достаточно большом числе коллекторных пластин можно пренебречь пульсацией э. д.с. и считать, что

,                                                      (2.3)

где Вср – среднее значение индукции на протяжении полюсного деления τ.

Учитывая также, что

Вср1аt = Ф,                                                           (2.4)

где τ = πDa/(2p) – полюсное деление;

,

Получим

,                                                 (2.5)

где се = pN/(60a) – коэффициент, определяемый конструктивными параметрами машины и не зависящий от режима ее работы.

Рис. 2.12 – Направление э д с и тока в витке обмотки якоря при его вращении относительно полюсов

Формула (2.5) дает среднее значение э.д.с. Е. В действительности величина ее колеблется (пульсирует) между двумя предельными значениями – Емакс и Емин. При вращении якоря часть витков, замыкаясь накоротко щетками, выключается из параллельных ветвей и за время поворота якоря на угол, соответствующий одной коллекторной пластине, сумма мгновенных значений э.д.с. успевает несколько измениться. Максимальное значение возникающих при этом пульсаций э.д.с. ΔЕ = 0,5 (Емакс – Емин) зависит от числа коллекторных пластин К:

Значения ΔЕ приведены в процентах от теоретического среднего значения э.д.с. Е.

Период пульсаций равен времени поворота якоря на одну коллекторную пластину, вследствие чего их частота в K/p раз больше частоты fa, с которой изменяется э.д. с, индуктированная в проводниках обмотки якоря.

Напряжение между соседними коллекторными пластинами. Если падением напряжения в витке пренебречь, то напряжение ик между соседними пластинами будет равно сумме э.д. с, индуктируемых во включенных между ними витках обмотки якоря. Например, для обмотки, состоящей из одновитковых секций (рис. 2.12), напряжение ик = 2е. Из (2.1) следует, что э.д. с. е пропорциональна индукции Вх в соответствующей точке воздушного зазора. Поэтому кривая распределения вдоль коллектора напряжений ик между соседними пластинами будет подобна кривой распределения индукции Bx = f(x) в воздушном зазоре (рис. 2.13, а).

Рис. 2.13 – Кривые распределения индукции Вх и напряжения ик вдоль окружности якоря при установке щеток на геометрической нейтрали (а) и при сдвиге их с нейтрали (б)

Важной характеристикой надежности работы машины постоянного тока является так называемая потенциальная кривая, представляющая собой зависимость изменения напряжения Ux вдоль окружности коллектора. При переходе от одной коллекторной пластины к другой напряжение Uх изменяется ступенчато, но при достаточно большом числе коллекторных пластин эту зависимость можно заменить плавной кривой (рис. 2.13, а). Потенциальная кривая является интегральной по отношению к кривой магнитного поля Bx = f(x), так как площадь кривой магнитного поля пропорциональна сумме э.д. с, индуктируемых во всех витках, которые включены между щетками А и В. Наибольшее напряжение между соседними коллекторными пластинами ик.макс возникает там, где потенциальная кривая имеет наибольшую крутизну.

Как было указано выше, при холостом ходе машины значение э.д. с. Е будет максимальным при установке щеток А и В на геометрической нейтрали. Если смещать щетки с геометрической нейтрали на некоторый угол α (рис. 2.13, б), то часть окружности якоря, соответствующая углу α, будет находиться в зоне с индукцией – Вх, созданной полюсом противоположной полярности. При этом уменьшится результирующая э.д. с. Е и напряжение U между щетками А и В, так как в проводниках якоря, расположенных в

указанной зоне, индуктируются э. д. с, противоположные по направлению э. д. с. в остальных проводниках.

Электромагнитный момент. На якорь, по обмотке которого проходит ток Iа, действует электромагнитный момент

M = 0,5Fve3Da,                                                      (2.6)

где Fpeз – результирующая электромагнитная сила, возникающая при взаимодействии тока с магнитным полем.

Сила Fрез представляет собой сумму усилий fx, приложенных ко всем активным проводникам обмотки якоря,

.

При достаточно большом числе коллекторных пластин силу Fрез можно считать постоянной:

.                           (2.7а)

Здесь iа–ток в одной параллельной ветви (см. рис. 2.12),

С учетом (2.4) и (2.7а) электромагнитный момент

                         (2.7б)

При работе машины в двигательном режиме электромагнитный момент является вращающим, а в генераторном режиме–тормозным.

2.4 Обмотки якоря

В настоящее время применяют якоря только барабанного типа, в которых проводники обмотки укладывают в два слоя в пазы, расположенные на наружной поверхности якоря (рис. 2.14, а). Для того чтобы э.д.с, индуктированные в двух сторонах каждого витка, складывались, стороны его следует располагать под полюсами противоположной полярности (рис. 2.14, б). В этом случае в каждом витке индуктируется э.д.с, в два раза большая, чем в одном проводнике. Следовательно, как и в обмотках переменного тока, основной шаг обмотки должен быть равен полюсному делению τ.

Обмотки барабанного якоря подразделяют на две основные группы: петлевые (параллельные) и волновые (последовательные). В машинах большой мощности применяют также параллельно-последовательную (лягушачью) обмотку, в которой сочетаются элементы петлевой и волновой обмоток. Основной частью каждой обмотки является секция, состоящая из одного или нескольких последовательно включенных витков; концы секций присоединяют к двум коллекторным пластинам. Число секций S равно числу коллекторных пластин K. Все секции обмотки обычно имеют одинаковое количество витков. На схемах обмоток секции для простоты всегда изображают одновитковыми. При двухслойной обмотке стороны секции, расположенные в верхнем слое, изображают сплошными линиями, а в нижнем слое–штриховыми (рис. 2.14, в).

Шаг секции yi (его называют также основным или первым частичным шагом обмотки) должен быть приблизительно равен полюсному делению т. При уi = τ шаг называют диаметральным; при уi < τ – укороченным; при уi > τ – удлиненным.

Рис. 2.14 – Расположение проводников обмотки на якоре барабанного типа (а, 6) и схема двухслойной обмотки (в)

Простая петлевая обмотка. При простой петлевой обмотке секцию присоединяют к соседним коллекторным пластинам (рис. 2.15, а). Для выполнения обмотки необходимо знать ее результирующий шаг у (рис. 2.15, б), первый у1 и второй у2 частичные шаги, а также шаг по коллектору ук. Результирующим шагом обмотки называют расстояние между начальными сторонами двух секций, следующих друг за другом по ходу обмотки; первым частичным шагом – расстояние между двумя сторонами каждой секции (шаг секции); вторым частичным шагом – расстояние между конечной стороной одной секции и начальной стороной следующей секции. Указанные расстояния обычно выражают в числе пройденных секций. Шагом по коллектору называют расстояние в коллекторных делениях между пластинами, к которым присоединены две стороны каждой секции. Так как K = S, то результирующий шаг обмотки у и шаг по коллектору ук равны. При петлевой обмотке y = y1–y2 и ук=у. Обмотку называют простой, если у=ук=±1. В этой обмотке каждая последующая секция расположена рядом с предыдущей, а якорная катушка имеет форму петли, откуда и получила свое название рассматриваемая обмотка. Обычно при выполнении обмотки принимают ук = + 1 (неперекрещенная обмотка), так как в этом случае несколько снижается расход обмоточного провода. На рис. 2.16 показаны якорные катушки машин постоянного тока при петлевой и волновой обмотках.

Рис. 2.15 – Общий вид петлевой обмотки (а) и схема соединений ее секций (б)

Рис. 2.16 – Формы якорных катушек при петлевой (а) и волновой (б) обмотках (при одновитковых секциях):

1, 4 – пазовые части, 2, 5 – лобовые части, 3 – задняя головка,

5 – концы секций, припаиваемые к коллектору

В простой петлевой обмотке секции, расположенные под каждой парой полюсов, образуют две параллельные ветви. Например, на рис. 2.17 показано образование параллельных ветвей в обмотке якоря четырехполюсной машины. В каждую из параллельных ветвей входит Sв =S/(2p) секций, поэтому число параллельных ветвей во всей обмотке

2a = S/SB = 2p.                                                    (2.8)

Условие 2а = 2 р выражает основное свойство простой петлевой обмотки: чем больше число полюсов, тем больше параллельных ветвей имеет обмотка. Следовательно, тем больше щеточных пальцев должно быть в машине. По этой причине простую петлевую обмотку часто называют параллельной. На рис. 2.18, а в качестве примера изображена схема петлевой обмотки четырехполюсной машины, а на рис. 2.18, б–эквивалентная схема ее, показывающая последовательность соединения отдельных проводников и образующиеся параллельные ветви. При этом цифрами 1, 2, 3 и т.д. обозначены активные проводники, лежащие в верхнем слое, а цифрами 1', 2', 3' и т.д. – лежащие в нижнем слое обмотки.

Рис. 2.17 – Образование параллельных ветвей в обмотке якоря четырехполюсной машины

Э.д.с. Е, индуктированные во всех параллельных ветвях петлевой обмотки, теоретически должны быть равны. Практически из-за технологических допусков в величине воздушного зазора под разными полюсами, дефектов литья в корпусе и других причин магнитные потоки отдельных полюсов несколько различаются между собой, а поэтому в параллельных ветвях действуют неодинаковые э.д.с. Разница между ними составляет 3–5%, однако вследствие небольшого сопротивления обмотки якоря этого оказывается достаточно, для того чтобы по параллельным ветвям даже при холостом ходе проходили довольно значительные уравнительные токи, которые загружают щетки и способствуют возникновению искрения на коллекторе. Чтобы уравнительные токи замыкались помимо щеток, в петлевых обмотках предусматривают уравнительные соединения, которые соединяют точки обмотки, имеющие теоретически равные потенциалы. Обычно для этой цели соединяют между собой коллекторные пластины, к которым подключены равно потенциальные точки обмотки (см. штриховые линии на рис. 2.18). Практически достаточно иметь одно-два уравнительных соединения на каждую группу секций, лежащих в одном пазу якоря, т.е. снабжать уравнителями 1/2 или 1/3 коллекторных пластин. Уравнительные соединения располагают чаще всего под лобовыми частями обмотки рядом с коллектором. В этом случае они находятся вне магнитного поля главных полюсов и в них э.д.с. не индуктируется. Протекающие по уравнительным соединениям токи, проходя по параллельным ветвям обмотки якоря, создают м.д.с, которые уменьшают неравенство магнитных потоков отдельных полюсов.

Простая волновая обмотка. При простой волновой обмотке секции, лежащие под разными полюсами, соединяют последовательно (рис. 2.19, а). При этом после одного обхода окружности якоря, т.е. последовательного соединения р секций, приходят к коллекторной пластине, расположенной рядом с исходной.

Рис. 2.18 – Петлевая обмотка четырехполюсной машины (а) и ее эквивалентная схема (б): S = K=24, y1 = 6; у2 = 5; у=ук=1

Результирующий шаг обмотки (рис. 2.19, б) у = у1 + у2; частичные шаги (у1 ≈ у2) приблизительно равны полюсному делению τ, а шаг по коллектору ук–двойному полюсному делению. Между шагом по коллектору ук и количеством коллекторных пластин K существует зависимость

рук±1=К,

откуда

ук = (К±1)/р.                                               (2.9)

Так как ук должен быть целым числом, то число коллекторных пластин K, не может быть произвольным. Предпочтительно брать yк = (K-1)/р (неперекрещенная обмотка), так как при этом несколько уменьшается расход обмоточного провода. Якорная катушка в рассматриваемой обмотке имеет форму волны (см. рис. 2.16, б), поэтому обмотку и называют волновой. В якоре барабанного типа направление э.д.с. сохраняется неизменным во всех сторонах секций, расположенных в пределах одного полюсного деления, т.е. в S/(2p) сторонах секций.

Рис. 2.19 – Общий вид волновой обмотки (а) и схема соединения ее секций (б)

Рис. 2.20 – Волновая обмотка четырехполюсной машины и ее эквивалентная схема:

S=K= 19, у1 = 5; у2=4; у = ук = 9

В простой волновой обмотке при одном обходе окружности якоря соединяют последовательно 2 р сторон секций; поэтому количество секций в каждой параллельной ветви Sв = pS/(2p) = S/2, а число параллельных ветвей обмотки

2a = S/SB = 2. (10–10).

Следовательно, число параллельных ветвей при простой волновой обмотке не зависит от числа полюсов и всегда равно двум. По этой причине такую обмотку часто называют последовательной. Уравнительные соединения при простой волновой обмотке не требуются, так как в каждую параллельную ветвь входят секции, стороны которых расположены под всеми полюсами. В результате этого неравенство потоков отдельных полюсов не вызывает неравенства э.д.с. в параллельных ветвях. На рис. 2.20, а показана схема простой волновой обмотки четырехполюсной машины, а на рис. 2.20, б – эквивалентная схема ее, показывающая последовательность соединений отдельных секций обмотки и образующиеся при этом параллельные ветви. При волновой обмотке в машине можно устанавливать только два щеточных пальца. Однако это делают лишь в машинах малой мощности; в более мощных машинах для уменьшения плотности тока под щетками и улучшения токосъема обычно ставят полный комплект (2 р) щеточных пальцев.

Области применения различных обмоток. Двухполюсные машины небольшой мощности выполняют с простой петлевой обмоткой, так как при двух полюсах волновая обмотка превращается в петлевую. По мере увеличения мощности обычно переходят к более компактным четырехполюсным машинам, имеющим меньшую массу, чем двухполюсные машины. Четырехполюсные машины небольшой и средней мощности часто имеют волновую обмотку, не требующую применения уравнительных соединений. При повышенном напряжении на щетках (до 1000 В и более) такую обмотку применяют в четырехполюсных машинах мощностью до 200 – 300 кВт. Если же напряжение на коллекторе невелико (110 или 220 В), то уже при мощности в десятки киловатт применяют четырехполюсные машины с петлевой обмоткой для уменьшения тока ia в параллельной ветви. Величина этого тока даже в весьма мощных машинах не должна превышать 250–300 А, так как при выполнении обмотки из проводников очень большого сечения возникают значительные технологические трудности при изготовлении якорных катушек и их укладке. При простой петлевой обмотке ток ia = Iа/(2a) = Iа/(2p), поэтому с ростом мощности и тока машины для сохранения тока ветви в допустимых пределах увеличивают число полюсов.

Сложные обмотки. При мощности более 1000 кВт становится выгодным применять сложные многоходовые обмотки якоря. В простейшем случае многоходовые обмотки представляют собой m простых петлевых или волновых обмоток, наложенных на общий якорь и смещенных относительно друг друга. В сложной петлевой обмотке число параллельных ветвей 2а = 2рm, а в сложной волновой – 2а = 2m, где m-число ходов обмотки. Результирующий шаг обмотки и шаг по коллектору соответственно равны:

у = ук = ±т; у = ук = (К±т)/р.

Применение многоходовых обмоток позволяет увеличивать число параллельных ветвей при неизменном числе полюсов, увеличение которых в ряде случаев невозможно. Однако эти обмотки требуют сложных уравнительных соединений.

В машинах большой мощности часто используют параллельно-последовательную (лягушачью) обмотку, представляющую собой комбинацию простой петлевой и многоходовой волновой обмоток (рис. 2.21). Обе обмотки уложены в одни и те же пазы и имеют общие коллекторные пластины. Чтобы уравнять э.д.с. параллельных ветвей, образуемых петлевой и волновой обмотками, число параллельных ветвей 2а этих обмоток должно быть одинаковым; для этого число ходов m. волновой обмотки должно быть равно р.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18