Учебное пособие 800253

Электрические двигатели постоянного тока общепромышленного применения как правило имеют параллельное или смешанное возбуждение с легкой стабилизирующей обмоткой. Генераторы общепромышленного применения имеют параллельное или смешанное самовозбуждение.

В двигателях с регулированием частоты вращения ослаблением поля главных полюсов и в генераторах, учитывая возможность отклонения в производстве параметров машины от расчетных значений, МДС обмоток возбуждения Fн увеличивают в среднем на 15 % (kз = 1,15) для обеспечения номинальной частоты вращения двигателей или номинального напряжения генераторов.

5.3. РАСЧЕТ СИСТЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ

В задачу расчета систем возбуждения входит определение числа витков, поперечного сечения проводников, сопротивления и массы обмоток возбуждения.

Параллельное или независимое возбуждение

Рассмотрим расчет обмоток главных полюсов при независимом или параллельном возбуждении. В этом случае полная МДС Fн создается одной обмоткой возбуждения

Fн = Fв ,

Fв = F + Fqd Fd ,

где Fв - МДС параллельной или независимой обмотки возбуждения; F - суммарное магнитное напряжение магнитной цепи;

Fqd - размагничивающее действие поперечной реакции якоря;

Fd - продольная составляющая реакции якоря, если щетки стоят на геометрической нейтрали, то Fd = 0.

Расчет начинают с определения поперечного сечения проводника при последовательном соединении катушек

где mt - температурный коэффициент (рассмотрен ранее, см. с. 34); - удельное сопротивление материала проводника;

kз - коэффициент запаса; для генераторов и регулируемых двигателей kз = 1,1 1,2; для двигателей, работающих без регулирования частоты вращения kз = 1 1,05; в тех случаях, когда требуется быстрое регулирование напряжения, kз доходит до 3, а его значение определяется расчетом скорости возбуждения;

ав - число параллельных ветвей катушек возбуждения; обычно катушки соединяют последовательно, ав = 1; соединение в две группы параллельно применяют в тех случаях, когда одни и те же катушки используются для двух значений напряжения, например 220 и 110 В, при этом в первом случае катушки соединяют последовательно, а во втором - в две группы параллельно; соединение в две параллельные ветви иногда применяют в тех случаях, когда желательно уменьшить поперечное сечение проводника для облегчения изготовления катушек; при соединении катушек в две параллельные ветви в каждую включают катушки полюсов одной полярности;

Uв - напряжение в цепи возбуждения (при параллельном возбуждении Uв = Uн);

lвср - средняя длина витка катушки возбуждения lвср = 2 (lг + bг) + (bкв + 2 bиз) ,

где bиз - толщина изоляции катушки плюс односторонний зазор между катушкой и полюсом, который принимается равным (0,5 - 0,8) мм при диаметре якоря до 0,5 м;

bкв - ширина катушки обмотки возбуждения; предварительно

в дальнейшем bкв уточняется при раскладке проводников.

Полученное поперечное сечение проводника qв необходимо нормировать - выбрать размеры проводника по стандарту /1, с. 470 - 477/. При этом надо учесть, что

при qв до 8 мм2 выбирают проводники круглого сечения, а катушки выполняют многослойными;

при qв от 8 мм2 до 25 мм2 выбирают проводники прямоугольного сечения, катушки выполняют многослойными;

при qв более 25 мм2 используют голую шинную медь, которая при намотке катушки гнется на ребро, в этом случае для изоляции между витками применяются изоляционные прокладки, например, из пропитанного асбестового полотна.

Многослойные катушки из проводников круглого сечения выполняются сплошными, а при высоте оси вращения более 200 мм могут выполняться секционированными, что увеличивает их поверхность охлаждения и позволяет повысить плотность тока в обмотке возбуждения.

После выбора размеров проводника и его поперечного сечения необходимо задать плотность тока в обмотке возбуждения. Допустимое значение плотности тока зависит от исполнения машины по способу защиты, способу охлаждения, частоты вращения, а также класса нагревостойкости изоляции.

В небольших машинах с высотой оси вращения до 200 мм, с аксиальной вентиляцией и вентилятором на валу, с частотой вращения от 600 до 3000 об/мин при исполнении IP22 плотность тока в обмотке возбуждения Jв = (4,5 6,0) 106 А/м2; при исполнении IP44 плотность тока в обмотке возбуждения Jв = (3,0 4,5) 106 А/м2.

В машинах с высотой оси вращения от 200 до 500 мм, с аксиальной вентиляцией и вентилятором на валу, с частотой вращения от 600 до 3000 об/мин при исполнении IP22 плотность тока в обмотке возбуждения Jв = (3,0

4,5) 106 А/м2; при исполнении IP44 - Jв = (2,0 3,0) 106 А/м2.

Данные значения приведены для класса нагревостойкости изоляции В. Для классов нагревостойкости изоляции F и Н плотности тока практически не повышают во избежании чрезмерного увеличения потерь на возбуждение и температуры корпуса машины.

При принудительной вентиляции плотности тока могут быть взяты близкими к большим значениям.

Меньшие значения плотности тока относятся к нижним частотам вращения. При частотах вращения ниже 250 об/мин для машин с самовентиляцией плотность тока Jв = (1,4 1,8) 106 А/м2.

При выполнении катушек из алюминиевого провода плотность тока снижается примерно на 60 %.

Число витков на один полюс

w в FвIва в ,

где Iв - ток возбуждения

Iв = Jв qв ав .

Число витков округляется до ближайшего целого.

Для окончательного уточнения данных обмотки возбуждения необходимо разработать конструкцию катушки и определить ее размеры, которые могут отличаться от предварительно выбранных. Проверка возможности размещения катушек обмоток возбуждения в междуполюсном окне состоит в уточненном расчете размеров катушек по ширине и высоте, а затем в вычерчивании масштабного эскиза междуполюсного окна. Необходимо обеспечить воздушные промежутки между катушками главных и дополнительных полюсов и выступающими краями катушек и внутренней поверхностью станины не менее (6 8) мм.

При определении размеров следует учитывать, что при намотке и пропитке катушки разбухают. Это разбухание учитывается соответствующими коэффициентами, принимаемыми одинаковыми по ширине и высоте катушки и равными в среднем 1,05 для изолированных проводников и 1,03 для неизолированных проводников.

Катушки выполняют либо в виде равных параллелепипедов, либо ступенчатой формы, которая дает возможность лучше использовать междуполюсное окно.

В многослойных катушках из круглого изолированного провода производят раскладку витков, определяя их количество по ширине Nш и по высоте Nв (wв = Nш Nв)

bкв = 1,05 Nш dвиз ;

hкв = 1,05 Nв dвиз .

В многослойных катушках из прямоугольного изолированного провода раскладку витков по ширине и по высоте производят, исходя из намотки проводов большей стороной по высоте полюса

bкв = 1,05 Nш апр ;

hкв = 1,05 Nв bпр .

Если в результате выполнения эскиза междуполюсного окна размещение рассчитанных обмоток окажется невозможным, следует увеличить внутренний диаметр станины с соответствующим удлинением ее активной части, чтобы площадь поперечного сечения станины сохранилась.

Сопротивление обмотки возбуждения

Масса меди обмотки возбуждения

Мв = mм 2p wв lвср qв .

Максимальный ток возбуждения

необходимого значения.

Смешанное возбуждение

Рассмотрим расчет обмоток главных полюсов при смешанном возбуждении, когда основной является обмотка параллельного возбуждения, а незначительная последовательная обмотка носит характер стабилизирующей. В данном случае на главных полюсах машины кроме параллельной обмотки возбуждения с целью повышения устойчивости работы машины и частичной компенсации размагничивающего действия реакции якоря устанавливают стабилизирующую обмотку, которая соединяется последовательно с обмоткой якоря.

Конструктивно стабилизирующая обмотка располагается либо у полюсного наконечника, либо между секциями катушек обмотки параллельного возбуждения, при этом она выполняет роль дистанционной прокладки (скобы).

Конструкция катушки последовательной стабилизирующей обмотки аналогична конструкции катушки параллельной обмотки возбуждения. При выполнении эскиза междуполюсного окна необходимо на сердечнике главного полюса разместить и стабилизирующую обмотку.

Необходимая МДС создается двумя обмотками

Fн = Fв + Fс ,

Fв + Fс = F + Fqd Fd ,

где Fв - МДС параллельной обмотки возбуждения;

Fс - МДС последовательной стабилизирующей обмотки.

МДС стабилизирующей обмотки принимается приблизительно равной размагничивающему действию поперечной составляющей реакции якоря

Fс Fqd .

Число витков стабилизирующей обмотки на один полюс

где аc - число параллельных ветвей стабилизируюшей обмотки, обычно принимается равным 1, а при наличии компенсационной обмотки равно числу ее параллельных ветвей.

Полученное число витков wс округляется до ближайшего целого.

Предварительное сечение проводников стабилизирующей обмотки

где Jс - плотность тока стабилизирующей обмотки (принимается такой же, как и в параллельной обмотке возбуждения).

Поперечное сечение проводников нормируется /1, с. 470 - 478/. Выбор формы и размеров проводников аналогичен выбору формы и размеров проводников параллельной обмотки возбуждения.

Средняя длина витка стабилизирующей обмотки

lсср = lвср .

Сопротивление стабилизирующей обмотки

Масса меди стабилизирующей обмотки

62).

Последовательное возбуждение

Масса меди последовательной обмотки возбуждения

Мп = mм 2p wп lпср qп .

5.4. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ОБМОТОК ВОЗБУЖДЕНИЯ

Независимо от того, какой тип системы возбуждения применяется в машине, расчет ее обмоток выполняется по следующему алгоритму:

1 шаг: определяется предварительная ширина катушки обмотки возбуждения (по соответствующим рекомендациям применяемых методик расчета);

2 шаг: по известным размерам сердечника главного полюса и предварительной ширине катушки обмотки возбуждения определяется средняя длина витка обмотки;

3 шаг: выбирается плотность тока в обмотке возбуждения;

4 шаг: определяется предварительная площадь поперечного сечения проводника обмотки возбуждения;

5 шаг: площадь сечения и параметры проводника нормируются; при этом в зависимости от площади выбирается проводник круглого, прямоугольного сечения или голая шинная медь;

6 шаг: рассчитывается предварительное значение числа витков в обмотке возбуждения на один полюс; полученное значение округляется до ближайшего целого числа;

7 шаг: уточняется плотность тока в обмотке возбуждения для округленного числа витков;

8 шаг: для принятой формы проводника и определенного числа витков разрабатывается конструкция катушек возбуждения, производится окончательная раскладка проводников обмотки по высоте и ширине катушки и выполняется масштабный эскиз междуполюсного окна;

9 шаг: уточняются геометрические размеры катушек возбуждения; в случае существенного изменения размеров уточняется средняя длина витка обмотки возбуждения, а при необходимости изменяется высота главного полюса за счет изменения внутреннего диаметра станины при одновременном изменении ее активной длины;

10 шаг: определяется сопротивление обмотки возбуждения;

11 шаг: рассчитывается масса обмотки возбуждения;

12 шаг: производится проверка правильности расчета обмотки возбуждения (например, уточнение коэффициента запаса).

ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ КУРСОВОГО ПРОЕКТА НЕОБХОДИМО:

По переходной характеристике определить размагничивающее действие поперечной составляющей реакции якоря Ознакомиться с возможными типами систем возбуждения

Рассчитать обмотки возбуждения с учетом требований технического задания Разработать конструкцию катушек обмоток возбуждения

Произвести раскладку проводников обмоток возбуждения по высоте и ширине катушек Выполнить масштабный эскиз междуполюсного окна с размещением

катушек обмоток возбуждения на сердечниках главных полюсов

6 ОЦЕНКА КОММУТАЦИОННЫХ

РАЗДЕЛ ПАРАМЕТРОВ

6.1.КОММУТАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ

6.2.ЩЕТКИ И КОЛЛЕКТОР

6.3.МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ ДОБАВОЧНЫХ

ПОЛЮСОВ

6.4.РАСЧЕТ ОБМОТКИ ДОБАВОЧНЫХ ПОЛЮСОВ

При вращении якоря и коллектора происходит непрерывное переключение секций обмотки из параллельной ветви с одним направлением тока в параллельную ветвь с другим направлением тока. При этом ток в переключаемой секции изменяет свое направление на обратное, а секция во время переключения оказывается замкнутой накоротко через коллекторные пластины и щетки. Переходный процесс изменения тока в секциях при переключении их из одной параллельной ветви обмотки якоря в другую называется коммутацией тока якоря.

Цель раздела - рассмотреть коммутационные параметры и факторы, влияющие на коммутацию, показать возможные меры снижения степени искрения под щетками, дать рекомендации по расчету добавочных полюсов и щеточно-коллекторного узла.

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ РАЗДЕЛА НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ:

Какой процесс в машине постоянного тока называют коммутацией Какие параметры характеризуют процесс коммутации Какие факторы влияют на коммутацию и коммутационные параметры

Качественные и количественные критерии оценки коммутации Какие степени искрения под щетками определены стандартом

Какие меры применяются для снижения степени искрения под щетками Как рассчитывается щеточно-коллекторный узел На какие участки разделяется магнитная цепь добавочных полюсов

Алгоритмы расчета магнитной цепи и обмотки добавочных полюсов

6.1. КОММУТАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Коммутация в машинах постоянного тока, то есть переключение секций из одной параллельной ветви в другую, сопровождается сложным комплексом взаимодействующих электромагнитных, механических и тепловых процессов в секции и щеточном контакте. Точный учет этих процессов представляет весьма сложную задачу.

При неблагоприятных условиях коммутация может сопровождаться образованием искр между щетками и коллекторными пластинами.