Лекции

Вмомент t6 прекратится ток в фазе 3, ротор сделает шестой шаг и займет положение по оси полюсов 1 – 1, с которого началось рассмотрение работы двигателя.

Впоследующие циклы процессы в ШД будут повторяться, т.е. ЩД работает по шеститактной схеме коммутации с раздельно-совместным включением

фазных обмоток управления: 1→1,2→2→2,3→3→3,1→1. Импульсы напряжения однополярные.

Для изменения направления вращения ротора необходимо изменить схему коммутации обмоток: 1→1,3→3→3,2→2→2,1→1.

Шаг поворота ротора:

где 2p2 – число полюсных выступов (число пар полюсов) на роторе; mу – число фазных обмоток управления; к – коэффициент, определяющий способ включения обмоток (при раздельном включении к=1, при раздельно-совместном к=2). В нашем случае 2p2=2, mу=3, к=2, тогда

Если в этом двигателе применить раздельное включение обмоток, т.е. принять схему коммутации 1→2→3→1, то шаг ротора будет

101

Уменьшение шага αш способствует повышению устойчивости и точности работы двигателя. Для уменьшения шага увеличивают число полюсных выступов на роторе 2р2. Если в рассматриваемом двигателе применить ротор крестообразного сечения (2р2 = 4), то при раздельно-совместной коммутации αш = 15о.

Шаговые двигатели с активным ротором (с обмоткой возбуждения или постоянными магнитами на роторе) позволяют получить большие значения вращающегося момента, а также обеспечивают фиксацию ротора при отсутствии управляющего сигнала.

Один из важных параметров шагового двигателя – частота приемистости

– максимальная частота следования управляющих импульсов, при которой ротор втягивается в синхронизм с места без потери шага. В зависимости от типа шагового двигателя и нагрузки частота приемистости колеблется от 10 до 104 Гц. С увеличением шага частота приемистости уменьшается. Шаговый двигатель работает в комплекте с коммутатором – устройством, преобразующим заданную последовательность управляющих импульсов в m-фазную систему прямоугольных импульсов напряжения. Частота вращения шагового двигателя регулируется изменением частоты подачи управляющих импульсов напряжения на фазы обмотки статора.

К шаговым двигателям предъявляются следующие требования: надежность в работе, быстродействие, малый шаг, недопустимость накопления ошибки с увеличением числа шагов, отсутствие свободных колебаний при отработке шага, минимальное число обмоток управления.

102

4. КОЛЛЕКТОРНЫЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Коллекторные машины постоянного тока (КМПТ) – это электрические машины постоянного тока, имеющие коллектор, служащий в генераторах механическим выпрямителем, в двигателях – инвертором, и, кроме того, коллектор осуществляет электрическую связь якорной обмотки (ЯО) с внешней сетью.

4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ КМПТ

По назначению КМПТ делятся на: генераторы, двигатели, специальные КМПТ (электрические машинные усилители мощности, тахогенераторы и т.д.).

По конструкции якоря КМПТ можно разделить на машины с барабанным якорем, полым немагнитным якорем, дисковым немагнитным якорем и т.д.

По способу соединения якоря с обмоткой возбуждения КМПТ можно разделить на машины с независимым, параллельным, последовательным, смешанным возбуждением (рис. 4.1).

По способу возбуждения КМПТ можно разделить на машины с электромагнитным возбуждением и с возбуждением от постоянных магнитов (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схемы возбуждения КМПТ: а – независимое; б – параллельное; в - последовательное; г – смешанное (компаундное); д – независимое (от постоянного магнита)

4.2. УСТРОЙСТВО КМПТ

Любая электрическая машина обратима, т.е. машина может работать генератором или двигателем. Поэтому устройство генератора и двигателя одно и то же. Конструктивная схема КМПТ с поясняющими видами и разрезами показана на рисунке 4.2.

КМПТ в основном состоят из двух частей: неподвижной – индуктора и подвижной – якоря. Индуктор служит для создания постоянного магнитного по-

103

тока при протекания тока в обмотке возбуждения (ОВ). Индуктор состоит из цилиндрического ярма 1, полюсов 2, обмотки возбуждения 3 и крепежных винтов 4.

8 6

10

Рис. 4.2. Конструктивная схема КМПТ

Вмашинах малой мощности полюса делают шихтованными, в машинах большой мощности – сплошными. Ярмо 1, полюсы 2, сердечник 5 делают из магнитомягкой стали, хорошо проводящей магнитный поток.

Якорь состоит из шихтованного сердечника 5 с пазами и якорной обмотки 6, уложенной в пазы по определенной схеме. Концы секций якорной обмотки припаиваются к коллекторным пластинам коллектора 7. На коллектор накладываются медно-графитовые щетки 8, которые имеют токоотводы. Щетки находятся в направляющих 9, траверсы прижимаются пружинами к коллектору.

Вякоре происходит преобразование энергии механической в электрическую – в генераторе и электрической в механическую – в двигателе. Обмотка якоря удерживается от выпадания в воздушный зазор пазовым клином 10. Она изолируется от сердечника пазовой изоляцией 11. Если напряжение машины свыше 36 В, то ставят межслоевую изоляцию 12.

Коллектор состоит из коллекторных пластин 13, выполненных из твердой меди. Пластины располагаются по окружности и электрически изолируются друг от друга миканитом 14 (слюдяная основа), а от вала они изолируются изоляционной втулкой 15. Для прочного армирования коллекторных пластин в пластмассовую втулку, коллекторная пластина имеет паз типа "ласточкиного хвоста" 16. Выступающая часть коллекторных пластин называется петушком, к ней припаиваются концы секций якорной обмотки.

104

4.3. ЯКОРНЫЕ ОБМОТКИ

Якорная обмотка (ЯО) представляет собой замкнутую на себя систему проводников. Электрическая связь якорной обмотки с внешней сетью осуществляется через коллекторные пластины и щетки.

Для ЯО применяются медные изолированные провода. Якорная обмотка состоит из секций, заранее намотанных на шаблонах. Секции укладываются в пазы якоря по определенной схеме. Концы секций припаиваются к коллекторным пластинам.

Секция выполняется с первым частичным шагом у1, измеряемым в единицах длины или пазовых делениях. Если у1 = τ, где τ – полюсное деление, то шаг называется диаметральным. Если у1 < τ, то шаг секции называется укороченным. Полюсное деление якоря равно τ = (π .D)/2.р, где D – диаметр якоря, р – число пар полюсов.

Якорные обмотки бывают простые и сложные, петлевые и волновые. В простых ЯО концы секции припаиваются к соседним коллекторным пластинам и шаг по коллектору равен ук = 1 к.д., т.е. одному коллекторному делению. Коллекторное деление – это расстояние по коллектору между серединами двух соседних коллекторных пластин. В сложных ЯО концы секции припаиваются к коллекторным пластинам, расположенным друг от друга на расстояние ук = mк коллекторных делений, где mк=2, 3, …

Простая петлевая обмотка характеризуется тремя шагами. Первый частичный шаг у1 – это расстояние в пазовых делениях между активными сторонами одной секции. Активная сторона – это сторона, лежащая в пазу якоря и пронизываемая основным магнитным потоком.

Якорные обмотки двухслойные. Верхний слой проводников на схеме будем изображать сплошной линией, а нижний слой – пунктирной. Проще электрические схемы ЯО строить в элементарных пазах.

Второй частичный шаг у2 – это расстояние в пазовых делениях между задней активной стороной первой секции и передней активной стороной последующей секции.

105

Результирующий шаг y – это расстояние в пазовых делениях между передними активными сторонами двух последующих секций. Для петлевых обмоток

Для простых обмоток число секций S равно числу коллекторных пластин

иэлементарных пазов S = K = zэл.

4.4.ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОСТОЙ ПЕТЛЕВОЙ ЯКОРНОЙ ОБМОТКИ

Для простоты пусть zэл = zр = 6 , р = 1, обмотка двухслойная. Отсюда y1 = 2zэлр ± ξ = 3 п.д. , τ = 2zэлp = 261 = 3 п.д.;

S = K = zэл = zр= 6;

у = ук = 1 п.д.;

у2 = у1 – у = 3 – 1 = 2 п.д., где п.д. – пазовое деление.

Ниже нарисуем развертку цилиндрической поверхности якоря с указанием пазов, для простоты предполагая, что диаметр якоря равен диаметру коллектора, и схему простой петлевой обмотки (рис. 4.4).

Критерием правильности построения схемы обмотки является то, что в каждом пазу располагаются две активные стороны – сплошная и пунктирные линии – и заняты все пазы и коллекторные пластины.

Полюсная дуга равна

где α – коэффициент полюсного перекрытия. Если α ≈ 0,66, τ = 3 п.д., то b=0,66.3 ≈ 2 п.д.

Предполагаем, что полюсы располагаются над поверхностью развертки якоря. Щетки устанавливаем по оси этих полюсов. На рисунке 4.4 ширину щет-

106

Пусть коллектор вместе с якорной обмоткой перемещается вправо со скоростью vк. В проводниках якорной обмотки индуктируется ЭДС е. Направление этой ЭДС определяется по правилу правой руки. Обозначим через Еа – ЭДС на щетках.

От минусовой щетки к плюсовой можно придти двумя путями: перемещаясь вправо и влево от минусовой щетки. Эти пути называются параллельными ветвями. В нашем случае число параллельных ветвей 2а = 2р, отсюда число пар параллельных ветвей а = р = 1.

Секция, в которой ЭДС равна нулю, замкнута накоротко щеткой, она называется коммутируемой секцией (показана жирной линией на рис. 4.4). Коммутируемая секция находится в плоскости, проходящей через центр якоря перпендикулярно осям полюсов. Эта плоскость называется геометрической нейтралью (ГН).

При вращении якоря каждая секция переходит из одной параллельной ветви в другую через положение коммутируемой секции. Если ЭДС коммутируемой секции не равна нулю, то при замыкании ее щеткой накоротко в ней протекает большой ток и, значит, запасается значительная магнитная энергия в витках секции.

При сходе щетки с этой секции образуется воздушный зазор между концом этой секции и щеткой. Его можно рассматривать как конденсатор. Вся запасенная магнитная энергия секции переходит в энергию электрического заряда условного конденсатора с пробоем воздушного зазора, возникает искрение щеток. Для того чтобы искрения не было, ЭДС в коммутируемой секции должна быть равной нулю.

107

4.5. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОСТОЙ ВОЛНОВОЙ ЯКОРНОЙ ОБМОТКИ

Для простоты построения схемы положим: Zр = zэл = 6, р = 1, обмотка двухслойная;

S = K = zэл = 6;

у1 = zэл/2р = 3 п.д., у1 = τ ;

y = ук = (К – 1)/р =(6 – 1)/1 = 5 п.д. (к.д.); у2 = у – у1 = 5 – 3 = 2 п.д.

Нарисуем схему простой волновой обмотки, построенную по приведенным выше данным (рис. 4.5).

Простая волновая обмотка характеризуется тем, что для любого числа полюсов имеются только две параллельные ветви, т.е. 2а = 2 .

Простая петлевая обмотка применяется в низковольтных сильноточных машинах, а волновая – при относительно больших напряжениях.

Сложные обмотки бывают одно- и многократно замкнутые на себя. Многократность замыкания увеличивает число параллельных ветвей как в волновой, так и в петлевой обмотке.

4.6. УРАВНИТЕЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Для уменьшения неравномерной плотности тока в щетках в машинах большой мощности применяются уравнительные соединения первого и второго рода; уравнители первого рода выполняются на якоре, второго рода – на коллекторе.

Уравнители первого рода применяются в петлевых обмотках с числом пар полюсов р >1. Допустим, петлевая обмотка якоря имеет 2р=4 полюса, следова-

108

тельно, она имеет 2а=2р=4 параллельные ветви. Из-за неодинаковой величины воздушного зазора под разными полюсами, неоднородности материалов сердечника магнитные потоки отдельных полюсов не будут в точности равными. При этом ЭДС параллельных ветвей также не будут равными.

При соединении параллельных ветвей со щетками через обмотку якоря и щетки будет протекать уравнительный ток, который может быть очень большим. Если разность ЭДС равна ~2 В, а сопротивление параллельной ветви ~0,01 Ом, то уравнительный ток составит 200 А.

Для того, чтобы разгрузить щетки от уравнительных токов, применяют уравнители первого рода, которые соединяют точки параллельных ветвей, имеющие одинаковый электрический потенциал при магнитной симметрии. При имеющейся внутри электрической машины асимметрии по уравнителям первого рода будут замыкаться уравнительные токи, не выходя на щетки. По существу уравнительные токи стремятся выровнять магнитные потоки полюсов с разными воздушными зазорами.

Уравнители второго рода применяют в волновых обмотках. Они выравнивают напряжения между коллекторными пластинами, возникающие из-за разного сопротивления коллекторно-щеточных переходов.

В этом случае между коллекторными пластинами может возникнуть разность электрических потенциалов, приводящая к электрическому пробою между пластинами. Во избежание этого, соединяют проводниками теоретически равнопотенциальные точки разных ходов обмоток, чтобы осуществить их параллельное соединение до щеточного контакта.

4.7. ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА (ГПТ) ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ

Принцип действия генератора постоянного тока (ГПТ) основан на двух законах электротехники: законе электромагнитной индукции и законе электромагнитных сил. Рассмотрим его по конструктивной схеме, представленной на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Конструктивная схема генератора постоянного тока

109

При вращении якоря внешним двигателем ВД проводники ЯО пересекают магнитный поток Ф возбуждения и в них индуктируется ЭДС еа. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки. В соответствии с определенным направлением ЭДС на рис. 4.6 на проводниках ЯО ставим знак "+" или "".

Если магнитная индукция по углу α окружности (статора) якоря распределена синусоидально В(α) ~ sinα, то и ЭДС будет синусоидальной. Под серединами полюсов магнитная индукция максимальна, отсюда максимальна и ЭДС, на геометрической нейтрали ЭДС равна нулю, потому что проводники находятся в местах где В(α) = 0.

К нижней щетке, находящейся на коллекторе, ЭДС будут подходить, значит, она приобретает полярность "+", а верхняя – "–". Между щетками возникает ЭДС Еа. При повороте якоря полярность щеток не меняется, а направление ЭДС в проводниках изменяется. Следовательно, коллекторно-щеточный узел является механическим выпрямителем. Суть выпрямления состоит в том, что коллекторные пластины к верхней щетке подводят проводники, расположенные под полюсом N с уходящим направлением ЭДС, а к нижней – подводят проводники, расположенные под полюсом S с подходящим направлением ЭДС.

В целом на щетках ЭДС получается пульсирующей. Если на якоре располагался бы один виток с двумя активными сторонами и двумя коллекторными пластинами, то получили бы две полуволны выпрямленной синусоиды. Но поскольку в якоре много витков и коллекторных пластин, то ЭДС на щетках будет пульсировать незначительно (рис. 4.7). В ГПТ пульсация ЭДС составляет менее 1%. Обычно имеют дело со средним значением ЭДС якоря Еа.

щимся в магнитном потоке, действует электромагнитная сила Fэм, направление которой определяется

по правилу левой руки. Электромагнитная сила создает электромагнитный момент Мэм. В ГПТ электромагнитный момент действует против вращения якоря, т.е. является тормозным. Для того, чтобы сохранить величину напряжения U на нагрузке, нужно скомпенсировать тормозной момент увеличением момента внешнего двигателя. Если ВД – двигатель внутреннего сгорания, то нужно подать большее количество топлива.

При расчетах имеют дело со средними значениями тока якоря Iа и ЭДС Еа. Получим формулу для ЭДС генератора. В действительности магнитная индукция в воздушном зазоре по окружности якоря распределена по закону близкому к трапецеидальному (рис. 4.8).

110