Электрические машины. Давидчук, Лебедев. Конспект лекций

возникает электромагнитный момент в режиме ЭМТ. Видно, что рис. 1.8, а, б отличается от рис. 1.6, а, б только направлением вращения якоря (направление тока в обмотке якоря и направление электромагнитного момента, действующего на якорь, соответствуют режиму ДПТ). На рис. 1.8, в показано, как возникает ЭДС в обмотке якоря в режиме ЭМТ.

Очевидно, что изменение направления вращения якоря при неизменной полярности главных полюсов приводит к изменению направления ЭДС во вращающейся рамке (т. е. в обмотке якоря). ЭДС в режиме ЭМТ, в отличие от ЭДС в генераторном и двигательном режимах работы, не противостоит напряжению якоря, а действует согласно, т. е. складывается с ним. Сумма ЭДС и напряжения сети оказывается приложенной к небольшому внутреннему сопротивлению обмотки якоря ra , и ток в обмотке яко-

ря многократно превысит допустимые значения. Поэтому эксплуатация МПТ в режиме ЭМТ возможна только при включении в цепь якоря внешнего добавочного сопротивления, достаточного для ограничения тока якоря до необходимого уровня.

Рис. 1.8. МПТ в режиме ЭМТ (а): определение направления электромагнитного момента (б) по правилу левой руки и направления ЭДС в обмотке якоря (в) по правилу правой руки

Схемы электрической и механической цепей МПТ в режиме ЭМТ показаны на рис. 1.9. В этом режиме МПТ потребляет мощность как со стороны электрической цепи, так и со стороны вала (механической цепи). Потребляемая электрическая и механическая мощности расходуются на потери внутри МПТ, главным образом на электрические потери в якорной цепи на добавочном сопротивлении Rд .

11

магнитного поля, – магнитная проницаемость среды, через которую

состоит из конструктивных элементов с различным поперечным сечением и различной магнитной проницаемостью. Поэтому магнитная цепь разбивается на участки, имеющие постоянное сечение и постоянную магнитную

2Fa 2Fj 2F0 2iв wв , где F , H , – НС, напряженность магнитного поля и длина усредненной силовой линии в воздушном зазоре; Fz , Hz , hz – НС, напряженность магнитного поля и длина усредненной силовой линии в зубцах сердечника якоря; Fm , Hm , hm – НС, напряженность магнитного поля и длина усредненной силовой линии в сердечнике главного полюса; Fa , Ha ,la – НС, напряженность магнитного поля и длина усредненной силовой линии в спинке сердечника якоря; Fj , H j ,l j – НС, напряженность

магнитного поля и длина усредненной силовой линии в ярме (или в станине). Алгоритм расчета магнитной цепи МПТ можно представить теперь следующим образом. Пусть задан 0 и необходимо найти F0 iв wв , обес-

печивающую заданное значение магнитного потока. Разбиваем магнитную цепь на участки согласно рис. 1.10, заменяем множество силовых линий магнитного поля одной эквивалентной силовой линией и определяем ее длину lk на каждом участке. Определяем величину магнитной индукции на

каждом участке как Bk k / Sk и по кривым намагничивания для каждого участка Bk f (Hk ) и известной величине Bk определяем величину напряженности магнитного поля Hk . Определяем величину НС на каждом

Таким способом можно, задаваясь различными значениями магнитного потока и рассчитывая необходимую НС, получить так называемую магнитную характеристику магнитной системы 0 f (F0 ) и определить

14

15

Способы возбуждения МПТ. Различают магнитоэлектрическое возбуждение (с помощью постоянных магнитов (ПМ)) и электромагнитное. Применение ПМ (рис. 1.12, а) упрощает конструкцию и увеличивает надежность МПТ, но лишает возможности регулировки магнитного потока. При независимом электромагнитном возбуждении обмотка главных полюсов подключается к независимому источнику питания (независимое возбуждение – рис. 1.12, б). При электромагнитном самовозбуждении обмотка главных полюсов может быть подключена параллельно обмотке якоря (параллельное или шунтовое возбуждение – рис. 1.12, в), последовательно с обмоткой якоря (последовательное или сериесное возбуждение – рис. 1.12, г) или может состоять из двух обмоток (смешанное или компаундное возбуждение – рис. 1.12, д).

Рис. 1.12. Способы возбуждения МПТ: ПМ (а), независимое (б), шунтовое (в), сериесное (г), компаундное (д)

Шунтовая обмотка (независимое и параллельное возбуждение) в номинальном режиме потребляет ток iв 0,03 0,05 Iaн (потери на возбуж-

дение pв Uвiв ), поэтому она выполняется многовитковой из провода

небольшого сечения и обладает достаточно большим внутренним сопротивлением (Ш1–Ш2 на рис. 1.13, а).

Сериесная обмотка (последовательное возбуждение) рассчитывается на номинальный ток якоря Iaн ( pв Ia2rс , где rс – сопротивление сериес-

ной обмотки), поэтому она имеет мало витков, но наматывается проводом большого сечения и, следовательно, обладает малым внутренним сопротивлением (С1–С2 на рис. 1.13, а).

Таким образом, шунтовая и сериесная обмотки возбуждения не взаимозаменяемы (включение последовательной обмотки вместо параллельной ведет к короткому замыканию цепи возбуждения) и на схемах

16

обозначаются четырьмя и тремя «барашками» соответственно

соответственно (знак «+» означает согласное включение сериесной обмотки по отношению к шунтовой, знак «– » – встречное включение).

Рис. 1.13. Расположение шунтовой (Ш1–Ш2) и сериесной (С1–С2) обмоток возбуждения на сердечнике главного полюса (а)

и обозначение этих обмоток на схемах (б)

Устройство якорных обмоток МПТ. В настоящее время на практи-

ке в основном применяются двухслойные барабанные обмотки, в которых каждая катушка (иначе секция) укладывается одной стороной в верхний слой паза сердечника якоря, а другой стороной – в нижний слой другого паза. При такой конструкции лобовые части (т. е. места перехода из паза в паз) катушек не пересекаются в пространстве (рис. 1.14, а). Концы катушек (секций) подпаиваются к коллекторным пластинам таким образом, чтобы между разнополярными щетками образовывались параллельные ветви. Поэтому начало каждой последующей секции вместе с концом предыдущей всегда присоединяются к общей коллекторной пластине, образуя последовательную цепь. Такие цепи из нескольких последовательно соединенных секций и образуют параллельную ветвь обмотки между разнополярными щетками.

Принято различать волновые и петлевые якорные обмотки. В волновых обмотках параллельные ветви многократно огибают якорь по окружности и соответственно распределены под всеми полюсами индуктора, а в петлевых обмотках параллельные ветви сосредоточены под каждой парой полюсов. Формы катушек (секций) волновой и петлевой обмоток и схема их соединения с коллектором представлены на рис. 1.15, где 1 – лобовые части секции, 2 – пазовые части секции, 3 – коллекторная пластина, 4 –

17

изоляционная прокладка между соседними коллекторными пластинами. Секция якорной обмотки может иметь один виток ( wc 1) или несколько ( wc 1). Как правило, все катушки (секции) якорной обмотки имеют одинаковое количество витков.

Рис. 1.14. Схема формирования лобовых частей в двухслойных коллекторных равносекционных (а, б) и ступечатых (в) обмотках

Рис. 1.15. Схемы одновитковых и многовитковых секций петлевых (а) и волновых (б) обмоток якоря

Секции могут изготавливаться из круглого или прямоугольного изолированного провода. Увеличение числа секций якорной обмотки МПТ позволяет снизить величину пульсаций выпрямленного тока и напряжения и величину напряжения между соседними коллекторными пластинами. Чтобы избежать получающихся при этом слишком узких пазов и зубцов, можно объединить их и укладывать в один слой одного паза не одну сторону секции ( uП 1 – см. рис. 1.14, а), а несколько сторон соседних секций

(например, uП 2 – см. рис. 1.14, б). Такую конструкцию можно сделать

18

равносекционной, когда все стороны катушек из верхнего слоя одного паза попадают в нижний слой другого паза (рис. 1.14, б), или ступенчатой, когда стороны катушек из верхнего слоя одного паза попадают в нижние слои двух других пазов (рис. 1.14, в).

Если принять, что сердечник якоря имеет Z пазов, коллектор – K коллекторных пластин, а обмотка якоря состоит из S секций, то справедливо будет соотношение: Z uП K S .

Если длину окружности по наружной поверхности якоря Da разделить на число полюсов 2 p , то получится длина окружности якоря, приходящаяся на один полюс, именуемая полюсным делением ( Da ) /(2 p) и измеряемая в метрах. Если длину окружности по наружной поверхности якоря Da разделить на число пазов якоря Z , то получится длина окружности якоря, приходящаяся на один зубец и один паз, именуемая зубцовым делением t1 ( Da ) / Z и измеряемая в метрах (индекс «1» означает сече-

ние по наружной поверхности якоря, индекс «2» будет обозначать сечение по средней линии зубцовой зоны, индекс «3» будет обозначать сечение, взятое у корня зубца). При делении числа пазов Z на число полюсов 2 p

тоже получится полюсное деление Z /(2 p), но измеряемое количе-

ством зубцовых делений, приходящимся на один полюс. Оно может быть целым или дробным.

В каждой катушке (секции) любой якорной обмотки МПТ ток протекает по одной стороне в одном направлении, а по другой стороне – в противоположном направлении. Из принципа действия МПТ следует, что под полюсом одной полярности должны быть сосредоточены токи одного направления, а под полюсом другой полярности – токи другого направления. Поэтому и в волновой, и в петлевой обмотках расстояние между сторонами секции должно быть соизмеримо с полюсным делением, измеренным в зубцовых делениях, и обязательно целым числом, иначе катушка не попадет обеими сторонами в пазы якоря. Расстояние между сторонами секции называется первым частичным шагом и для волновой и петлевой обмоток рассчитывается как

где y1 – первый частичный шаг обмотки, – добавка до целого числа

(ц. ч.). Диапазон изменения добавки: 0 1.

На практике пользуются отрицательной добавкой ( ) , поскольку при положительной добавке ( ) удлиняются лобовые части обмотки и увеличивается расход меди. Первый частичный шаг называется полным,

19

если y1 , что возможно только при условии Z /(2 p) ц. ч. В двухпо-

люсной МПТ полный первый частичный шаг обмотки называется также диаметральным, поскольку прямая, соединяющая стороны катушки, будет в этом случае равна диаметру якоря. Первый частичный шаг называется сокращенным или укороченным, если y1 , и характеризуется коэффи-

циентом сокращения шага y1 / . Как уже говорилось выше, обмотки с удлиненным шагом ( 1) на практике не применяются.

При выполнении волновой обмотки (рис. 1.16, а) концы секции подпаиваются к коллектору на расстоянии, соизмеримом с двойным полюсным делением. Расстояние между коллекторными пластинами, к которым подпаиваются концы секции, называется шагом по коллектору yк и изме-

подпаивается к той же коллекторной пластине, что и конец предыдущей секции. Именно такое соединение секций в обмотке приводит к возникновению параллельных ветвей между щетками разной полярности. Расстояние между второй стороной первой секции и первой стороной второй секции, выраженное в зубцовых делениях, называется вторым частичным шагом y2 . В волновой обмотке направления первого и второго частичных

шагов совпадают (оба положительные). Расстояние между первой стороной первой секции и первой стороной второй секции, выраженное в зубцовых делениях, называется результирующим шагом y , поскольку

образом, секции волновой обмотки последовательно соединяются посредством коллектора друг с другом и, обойдя окружность якоря и одновременно окружность коллектора, подпаиваются к K-й (рис. 1.16, а) или 2-й (рис. 1.16, б) коллекторной пластине, снова обходят окружность коллектора и так до тех пор, пока обмотка не замкнется на 1-ю коллекторную пластину. Если после первого обхода якоря секция подпаивалась к K-й коллекторной пластине, то обмотку называют левоходовой (развивается влево) неперекрещивающейся (т. е. лобовые части со стороны коллектора не перекрещиваются), а если подпаивалась ко 2-й коллекторной пластине – то правоходовой перекрещивающейся. На практике технологически удобнее изготавливать левоходовые неперекрещивающиеся волновые обмотки.

Для каждого обхода якоря волновой обмотки можно записать соотношение pyк 1 K , откуда yк y (K 1) / p для левоходовых волновых обмоток и yк y (K 1) / p – для правоходовых.

20