Электрические машины. Давидчук, Лебедев. Конспект лекций

в) m 2, y2 0, y yк (K 2) / p

Рис. 1.16. Принципы построения волновых якорных обмоток:

а– простая (одноходовая) неперекрещивающаяся (левоходовая);

б– простая (одноходовая) перекрещивающаяся (правоходовая);

в– сложная (двухходовая) неперекрещивающаяся (левоходовая)

Независимо от числа полюсов и количества щеток на коллекторе, волновая обмотка будет иметь две параллельные ветви. Чтобы понять, как образуются параллельные ветви в волновой обмотке, на рис. 1.17 пред-

ставлен пример с параметрами: Z 13 , 2 p 4, y1 3 , y2 3, y yк 6. Для лучшего понимания процесса токораспределения обмотка выполнена из одновитковых секций. Часть секции, лежащая в верхнем пазовом слое, показана сплошными линиями, а часть секции, лежащая в нижнем пазовом слое, – штриховыми линиями. Продольные оси, проходящие по оси симметрии главных полюсов, обозначены буквой «d» (вДоль основного магнитного потока), а поперечные оси, проходящие по оси симметрии междуполюсного пространства, обозначены буквой «q» (попереК основного магнитного потока). Поперечные оси имеют также название геометрических нейтралей (основной магнитный поток вдоль этих осей равен нулю).

На рис. 1.17 направление вращения якоря показано стрелкой, предполагается, что главные полюсы расположены над поверхностью рисунка и задана их полярность, выбран генераторный режим работы. В этом случае направление токов в секциях можно определить по правилу правой руки (см. рис. 1.3), поскольку в генераторном режиме оно совпадает с направлением ЭДС, индуктированной основным магнитным потоком. Полярность щеток проставляется исходя из того, что в генераторе ток протекает от «–» к «+».

21

1 23 4 5 6 7 8 910 11 12 13 nген.

Рис. 1.17. Схема распределения токов по параллельным ветвям в простой волновой обмотке, выполненной из одновитковых секций

Секции, которые находятся в состоянии переключения (коммутации) из одной параллельной ветви в другую и замкнуты однополярными щетками накоротко, показаны на рис. 1.17 выделенными линиями. Видно, что в представленный на рисунке момент времени работает только одна пара щеток. Это свойство волновых обмоток позволяет при определенных условиях эксплуатации (трудный доступ к щеткам и т. п.) устанавливать только один комплект разнополярных щеток. В этом случае щетка одной полярности будет замыкать накоротко не одну коммутирующую секцию, а несколько последовательно соединенных (один обход якоря – см. рис. 1.17). Важное свойство волновой обмотки – это наличие только двух параллельных ветвей независимо от числа полюсов ( 2a 2 ).

С ростом мощности МПТ при заданном сетевом напряжении будет расти ток якоря Ia . При этом будет расти и ток в параллельной ветви волновой обмотки

ia Ia /(2a) ,

где a – число пар параллельных ветвей (в волновой обмотке a 1, т. е. 2a 2 ). В результате может наступить такой момент, когда по условиям нагрева обмотки ток параллельной ветви ia превысит допустимое значе-

ние. Чтобы избежать этого, можно увеличить ширину щетки до ширины двух смежных коллекторных пластин и наматывать волновую обмотку в два параллельных хода (рис. 1.16, в). Такие обмотки называются многоходовыми или m-ходовыми (m – число параллельных ходов). Иногда обмотки при m = 1 называют простыми, а при m > 1 – сложными. В общем слу-

22

чае результирующий шаг любой левоходовой волновой обмотки можно рассчитать как

достаточно редко. При 2 p 2 с ростом мощности МПТ и соответственно

токов в параллельных ветвях волновой обмотки более удобным и естественным становится переход к петлевой обмотке, у которой параллельные ветви сосредоточены под одной парой полюсов, и, следовательно, чем больше пар полюсов, тем больше пар параллельных ветвей.

Принципы построения петлевой обмотки МПТ представлены на рис. 1.18. Первый частичный шаг рассчитывается по (1.1), однако, в отличие от волновой обмотки, начало и конец секции петлевой обмотки подпаиваются к соседним коллекторным пластинам (рис. 1.18, а). Начало второй секции подпаивается к коллекторной пластине, к которой был подпаян конец первой секции (рис. 1.18, а), и так до тех пор, пока конец последней секции не будет подпаян к первой коллекторной пластине (обмотка замкнется, обойдя только один круг вокруг якоря).

Рис. 1.18. Принципы построения петлевых якорных обмоток:

а– простая (одноходовая) неперекрещивающаяся (правоходовая); б – простая (одноходовая) перекрещивающаяся (левоходовая);

в– сложная (двухходовая) неперекрещивающаяся (правоходовая)

Шаг по коллектору и соответственно результирующий шаг петлевой обмотки в этом случае составят: yк y 1 – для правоходовой непере-

крещивающейся (рис. 1.18, а), и yк y 1 – для левоходовой перекрещивающейся (рис. 1.18, б). Так же как и в случае с волновыми, технологи-

23

чески более целесообразны неперекрещивающиеся петлевые обмотки. Формальным отличительным признаком петлевой обмотки является, исходя из соотношения (1.2), отрицательный второй частичный шаг y2 0

(т. е. откладывается противоположно первому частичному шагу

Для понимания того, как образуются параллельные ветви в петлевой обмотке, на рис. 1.19 представлен пример с параметрами: Z 12 , 2 p 4,

y1 3 , y2 2, yк y 1. Для лучшего понимания процесса токораспре-

деления петлевая обмотка, так же как и в случае с волновой, выполнена из одновитковых секций. Определение направления токов в пазах и расстановка полярности щеток выполнены при тех же условиях, что и на рис. 1.17. Видно, что число пар параллельных ветвей в петлевой обмотке равно числу пар полюсов a p , а каждая параллельная ветвь сконцентри-

рована только под одной парой полюсов. Отсюда следует, что для работы всех параллельных ветвей петлевой обмотки необходим полный комплект щеток, т. е. сколько пар полюсов – столько же должно быть и пар разнополярных щеток. В петлевой обмотке секции, переключающиеся из одной параллельной ветви в другую, в момент переключения (коммутации) замыкаются накоротко только одной щеткой (коммутирующие секции на рис. 1.19 показаны выделенными линиями).

iaia iaia iaia ia ia

Рис. 1.19. Схема рапределения токов по параллельным ветвям в простой петлевой обмотке, выполненной из одновитковых секций

24

При дальнейшем росте мощности МПТ условие a p по условиям нагрева обмотки может также оказаться недостаточным. Тогда необходим переход к многоходовой или m-ходовой петлевой обмотке (рис. 1.18, в). В общем случае результирующий шаг любой правоходовой петлевой обмотки можно рассчитать, как

В крупных МПТ (гребные, прокатные и т. п.) в основном применяются 2- и реже 3-ходовые петлевые якорные обмотки. Как в волновой, так и в петлевой обмотках ток отдельно взятой параллельной ветви составляет:

В действительности соотношение (1.7) будет справедливо только при условии равенства ЭДС всех параллельных ветвей и их внутренних сопротивлений. Если это условие не выполнить, то токи в разных параллельных ветвях станут различными и через щетки начнут протекать уравнительные токи, выравнивающие потенциал между отдельными параллельными ветвями обмотки.

Первый шаг по разгрузке щеток от уравнительных токов – это выполнение так называемых симметричных обмоток. Условия электромагнитной симметрии обмоток имеют следующий вид: K / a ц. ч., Z / a

ц. ч., 2 p / a ц. ч. Эти условия стараются соблюдать при проектирова-

нии машины, и если по другим соображениям не могут их выполнить в полной мере, то стараются нарушать их как можно меньше. На практике изготовить идеальную машину невозможно, можно только в какой-то степени приближаться к этому идеалу в зависимости от принятых допусков на изготовление. Поэтому параллельные ветви обмоток МПТ, находящиеся в разных электромагнитных условиях будут нагружаться какими-то уравнительными токами даже при выполнении всех условий симметрии обмоток.

Чтобы разгрузить щетки от уравнительных токов, делается следующий шаг – установка в лобовых частях обмотки уравнительных соединений. Соединяться между собой могут только теоретически равнопотенциальные точки. Различают уравнители I, II и III родов. Простая (одноходовая) волновая, а также простая петлевая при 2 p 2 обмотки не требуют

установки уравнительных соединений, так как имеют a 1. Простая петлевая обмотка при 2 p 2 требует установки уравнительных соединений

I рода в лобовых частях обмотки с шагом yур K / p . Для полной компенсации уравнительных токов необходимо ставить полный комплект уравни-

25

телей ( K / p штук, соединяющих все точки равного потенциала), однако в

МПТ меньшей мощности экономят и ставят 1/3–1/6 общего количества.

В сложных обмотках появляется необходимость выравнивания нагрузки и между отдельными ходами обмотки. Для этого служат уравнители II рода. В двухходовых петлевых обмотках с тяжелыми условиями коммутации можно встретить уравнители III рода, задача которых – обеспечение коммутации по полусекциям. Наличие уравнительных соединений существенно усложняет конструкцию обмотки МПТ, ведет к удорожанию машины, усложняет проведение ремонтных работ. Существует комбинированная (или «лягушечья») обмотка, когда в одни и те же пазы якоря укладывается простая петлевая и p -ходовая волновая обмотки. В резуль-

тате в каждый паз укладывается 4 слоя. Волновая обмотка выполняет роль уравнителей I рода для простой петлевой обмотки, а петлевая обмотка выполняет роль уравнителей II рода для p -ходовой волновой. Поэтому ком-

бинированная обмотка в установке уравнительных соединений не нуждается. Тем не менее широкого применения эти обмотки не нашли из-за экономической и технологической нецелесообразности. Кроме того, они имеют повышенную индуктивность контуров уравнительных токов, что неблагоприятно сказывается на коммутации секций.

Магнитное поле МПТ при нагрузке. Это поле получается в режи-

мах работы, когда ток в обмотке якоря не равен нулю. Ток якоря создает свое собственное магнитное поле, которое называется полем реакции якоря. Поле реакции якоря вместе с полем возбуждения, созданным обмотками возбуждения главных полюсов МПТ, образуют в воздушном зазоре результирующее магнитное поле, картина распределения которого под полюсным наконечником будет существенно отличаться от аналогичной картины распределения магнитного поля в режиме холостого хода.

Магнитное поле реакции якоря принято разделять на поле, действующее вдоль оси главных полюсов (оси «d»), и на поле, действующее вдоль геометрической нейтрали (оси «q» – поперек оси главных полюсов), поскольку магнитная проводимость в этих направлениях существенно различается. Поле якоря по оси «q» называется полем поперечной реакции якоря, поле по оси «d» – полем продольной реакции якоря. Якорь МПТ будет создавать только поперечную реакцию в случае, если секции обмотки якоря переключаются из одной параллельной ветви в другую строго на линии геометрической нейтрали (рис. 1.20, а). В этом случае под каждым полюсом будут сосредоточены токи одного направления (крестиком и жирной точкой на рис. 1.20 обозначено направление токов, а черными проводниками выделены коммутирующие секции). Направление поля определяется по «правилу буравчика». Ось этого поля совпадает с осью «q», поэтому в пространстве поле поперечной реакции якоря сдвинуто относительно поля

26

возбуждения главных полюсов на 90 эл. град., что обеспечивает возникновение максимально возможной ЭДС в обмотке якоря и максимально возможного момента на валу МПТ. Якорь МПТ будет создавать только продольную реакцию в случае, если секции обмотки якоря переключаются из одной параллельной ветви в другую строго на линии оси главных полюсов (рис. 1.20, б и в). Угол сдвига между полем продольной реакции якоря и полем возбуждения главных полюсов будет составлять 180 эл. град. (рис. 1.20, б – размагничивающая продольная реакция якоря) или 0 эл. град. (рис. 1.20, в – намагничивающая продольная реакция якоря), поэтому ЭДС обмотки якоря и момент на валу МПТ в этом случае будут равны нулю.

Рис. 1.20. Магнитное поле, создаваемое током обмотки якоря:

а – поперечная реакция якоря; б – продольная размагничивающая реакция якоря; в – продольная намагничивающая реакция якоря

С целью обеспечения наилучших условий для возникновения ЭДС в обмотке якоря и момента на валу на практике стремятся устанавливать щетки на коллекторе таким образом, чтобы коммутация секций обмотки происходила при пересечении ими линии геометрической нейтрали, что приводит к существованию в МПТ теоретически только поперечной реакции якоря. В действительности установить щетки абсолютно точно никогда не удается, и, кроме того, щетки могут быть сдвинуты при настройке коммутации. Поэтому в МПТ всегда присутствует и небольшая продольная составляющая реакции якоря. Однако при дальнейшем теоретическом изучении электромагнитных процессов в МПТ будет рассматриваться только магнитное поле поперечной реакции якоря.

Результирующее магнитное поле в воздушном зазоре МПТ возни-

кает при совместном действии поля возбуждения и поля поперечной реакции якоря. Поперечная реакция якоря не оказывает прямого намагничивающего или размагничивающего действия на поле возбуждения, так как их оси взаимоперпендикулярны, но может создавать размагничивающий эф-

27

фект косвенным образом. В режиме генератора магнитное поле поперечной реакции якоря размагничивает набегающий край и намагничивает сбегающий край главного полюса (рис. 1.21). Результирующее магнитное поле под полюсным наконечником из-за такого действия реакции якоря сдвигается к сбегающему краю главного полюса. В этом месте происходит концентрация силовых линий магнитного поля и зубцы якоря под сбегающим краем главного полюса сильно насыщаются, что и приводит к снижению общего магнитного потока в машине. Чем больше ток нагрузки (ток якоря), тем сильнее поле поперечной реакции якоря, тем больше концентрация силовых линий под сбегающим краем и сильнее насыщение зубцов якоря в этой зоне и, следовательно, тем существеннее снижение общего магнитного потока под главным полюсом. Количественно это физическое явление можно учесть путем введения в уравнение намагничивающих сил МПТ величины размагничивающего действия поперечной реакции якоря Faq (Ia ) : F F0 Faq (Ia ) , что позволит определять магнит-

ный поток при нагрузке по известной кривой намагничиванияf (F ) , аналогичной 0 f (F0 ) .

Рис. 1.21. Магнитное поле генератора постоянного тока при нагрузке (результирующее магнитное поле)

Искажение картины распределения магнитного поля в воздушном зазоре приводит также к смещению нейтрали (точки, в которой поле равно нулю) по направлению вращения якоря на некоторый угол относительно поперечной оси «q». Новое положение нейтрали называется физической нейтралью (ф. н. на рис. 1.21). Положение физической нейтрали также будет зависеть от величины тока в обмотке якоря – чем больше ток нагрузки, тем сильнее физическая нейтраль отклоняется от положения геометрической. Поэтому угол между геометрической и физической нейтралями в МПТ можно назвать углом нагрузки. Возникновение тормозного генераторного момента можно при этом трактовать как стремление магнитного

28

поля обмотки возбуждения «вытолкнуть» из-под набегающего края главного полюса магнитное поле обмотки якоря (см. рис. 1.21).

Каждая секция обмотки якоря своими концами подпаивается к коллекторным пластинам. ЭДС, возникающая в секциях обмотки, определяет разность потенциалов между соседними (смежными) коллекторными пластинами. При прохождении секциями зоны сбегающего края главного полюса эта разность потенциалов в ГПТ резко увеличивается, что может привести к возникновению потенциального искрения на коллекторе и развитию кругового огня по коллектору.

При проектировании МПТ стремятся к тому, чтобы среднее напряжение между соседними коллекторными пластинами не превышало величину 15–17 В, а максимальное значение этого напряжения при наибольшей нагрузке не выходило за рамки 30–50 В. Превышение указанных величин приводит к возникновению электрических дуг между смежными коллекторными пластинами из-за наличия на поверхности коллектора мелкой медно-графитовой пыли, образующейся при износе щеток. Интенсивное дугообразование ведет к возникновению кругового огня по всей окружности коллектора и последующему выходу его из строя.

В режиме двигателя и электромагнитного тормоза магнитное поле поперечной реакции якоря, наоборот, размагничивает сбегающий край и намагничивает набегающий край главного полюса (рис. 1.22), поэтому результирующее магнитное поле сдвигается к набегающему краю главного полюса и в этом месте происходит концентрация силовых линий магнитного поля. Зубцы якоря под набегающим краем главного полюса сильно насыщаются и так же, как и в генераторе, происходит снижение общего магнитного потока в воздушном зазоре. Смещение нейтрали в режиме двигателя и ЭМТ происходит против направления вращения якоря, и электромагнитный момент теперь направлен так, чтобы «вытолкнуть» магнитное поле якоря из под сбегающего края главного полюса. При прохождении секциями обмотки якоря зоны набегающего края главного полюса разность потенциалов между соседними коллекторными пластинами резко увеличивается, что может привести в режиме двигателя и ЭМТ также к возникновению потенциального искрения на коллекторе и развитию кругового огня по коллектору.

Таким образом, поперечная реакция якоря в МПТ приводит к искажению картины распределения магнитного поля в воздушном зазоре под полюсным наконечником. Это физическое явление имеет три негативных следствия: снижение общего магнитного потока в воздушном зазоре МПТ, смещение нейтрали, повышение максимального напряжения между соседними коллекторными пластинами, ведущее к потенциальному искрению на коллекторе.

29

Эффективным средством борьбы с искажением картины распределения магнитного поля в воздушном зазоре при нагрузке МПТ и его негативными следствиями является применение компенсационной обмотки, которая размещается в пазах, выштампованных в полюсных наконечниках, и включается последовательно с обмоткой якоря так, чтобы ток, протекающий по компенсационной обмотке, создавал встречное (размагничивающее) поле по отношению к полю поперечной реакции якоря. Если НС компенсационной обмотки будет соответствовать по величине НС якорной обмотки, то под полюсным наконечником искажения магнитного поля возбуждения не произойдет.

На рис. 1.23 представлены диаграммы распределения НС обмотки возбуждения F0 , НС поперечной реакции якоря Faq и полученная графи-

ческим сложением НС результирующего поля в воздушном зазоре F на двойном полюсном делении в режиме генератора, а также кривая распределения магнитной индукции B результирующего магнитного поля вдоль воздушного зазора. Кривая B повторяет вид кривой F под полюсным

наконечником, но имеет некоторый провал в межполюсном пространстве из-за худшей магнитной проводимости этого участка. На рис. 1.24 показаны аналогичные построения при наличии компенсационной обмотки.

Коммутация МПТ. Коммутацией называется комплекс явлений, связанных с переключением секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и изменением направления тока в секциях на противопо-

ложное. Во время такого переключения секция обмотки замыкается накоротко. В волновой обмотке при полном комплекте щеток коммутирующая секция замыкается накоротко двумя однополярными щетками (см. рис. 1.17), при установке в волновой обмотке только двух разнополярных

30