Библиотека / Красовский основы электропривода
.pdf2.2. При1-tцип действия коллектор1-tыхмаши1-t постоя1-t1-tого тока 51
При вращении якоря в нем также наводится ЭДС, направление которой то же, что и в режиме генератора, а направление iя изме нилось. Следовательно, в режиме двигателя направления Iя и Е
противоположны. Поэтому в данном случае
Таким образом, для перехода МПТ из генераторного режима в
режим двигателя и обратно при неизменном расположении щеток
необходимо изменить направление тока в якоре.
2.2.2. Особенности конструкции и работы
реальных машин постоянноrо тока
В настоящее время изготовляют МПТ мощностью от долей ватт до десятков мегаватт. Частота их вращения колеблется от нескольких
оборотов до нескольких тысяч оборотов в минуту, а номинальное
напряжение доходит до 1500.. .3000 В. В основном МПТ в электро
приводе используют как двигатели, однако в ряде случаев находят
применение и генераторы в качестве индивидуальных источников
питания (см. гл. 5) в регулируемых электроприводах.
Основной магнитный поток в реальных МПТ создается главны
ми полюсами 1 (рис. 2.12, а), являющимися частью неподвижного
ферромагнитного магнитопровода - станины 2 (рис. 2.12, в). На них располагается обмотка возбуждения 3, по которой протекает
ток возбуждения 18 • Для болееравномерного распределения потока
в воздушном зазоре машины главные полюса имеют полюсные наконечники специальной формы. В машинах относительно боль
шой мощности на полюсных наконечниках делают пазы, в кото
рые укладывают специальную обмотку, называемую компенсаци онной обмоткой.
Подвижная часть МПТ - цилиндрический якорь 4 (в собран ном виде он показан на рис. 2.12, 6) набирается из листов электро
технической стали и крепится на валу 5. На внешней поверхности
он имеет пазы, в которые в два слоя укладывается якорная обмот
ка 6, состоящая из отдельных секций. По ней протекает ток Iя. Ак тивные части каждой секции располагаются в двух пазах под раз ными полюсами 1, причем одну сторону секции укладывают в
верхнем слое паза, а другую - в нижнем. По способу соединения
2.2. При1-tцип действия коллектор1-tыхмаши1-t постоя1-t1-tого тока 53
ки 8, располагаемые в специальных щеткодержателях 9 (рис. 2.12, в),
для улучшения электрического контакта плотно прижаты к коллек
торным пластинам. Независимо от способа выполнения якорной
обмотки, общий прющип подключения ее секций к коллекторным
пластинам можно условно изобразить, как на рис. 2.13, б, где он по
казан для трех соседних секций 1, 2, 3 и четырех соседних коллек
торных пластин 4, 5, 6, 7 соответственно. На рис. 2.13, б также
условно показана щетка 8, относительно которой перемещаются
коллекторные пластины.
3
а 6 в
Рис. 2.13. Принцип выполнения якорной обмотки:
а - расположение относительно полюсов секций якорной обмотки; б - подклю чение якоря к коллектору; в - схематичное изображение якорной обмотки: 1, 2, 3 - секции якорной обмотки; 4, 5, 6, 7 - коллекторные пластины; 8 - щетка
Секции обмотки через коллекторные пластины соединяются последовательно, образуя кольцо. Таким образом, якорную обмот ку МПТ можно схематически изобразить в виде замкнутой спира
ли, по поверхности которой скользят щетки (рис. 2.13, в). Щетки делят последовательно соединенные секции обмотки на параллель
ные ветви, как это видно из рис. 2.13, в, где обмотка имеет одну па
ру (а = 1) параллельных ветвей. В общем случае а = 1, 2, 3, 4, .. .
В симметричной обмотке сопротивления и токи всех параллель ных ветвей равны между собой.
При перемещении пластин коллектора относительно щеток
секции поочередно переходят из одной параллельной ветви в дру
гую. Этот процесс, называемый коммутацией, приводит к пооче редному изменению направления тока в секциях. Более детально
процесс коммутации можно проиллюстрировать на упрощенном
варианте МПТ с четырехсекционной обмоткой на якоре и соответ
ственно с четырьмя коллекторными пластинами. На рис. 2.14, а- в
изображены последовательно три характерных положения якоря
относительно полюсов, на рис. 2.14, г - е, условно показано
54 Глава 2. Принцип действия, элементы конструкции...
а
|
3 |
2' |
|
|
|
г |
|
+ |
- - |
|
|
|
iя/2 |
iя/2 |
|
2е |
|
|
|
|
|
2 |
+ |
2е |
3 |
2' |
2е |
ж
J о}~:::::,88::;:::,(
м
6 |
в |
|
|
|
3 |
2' |
|
|
д |
|
|
е |
|
|
1' |
+ |
- - |
+ |
|
1 |
|
iя/2 |
iя/2 |
|
|
iя/2 ~ |
~ iя/2 |
2е |
|
2 |
2е |
|
+ |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
2е |
|
|
|
|
4 |
2' |
|
|
|
|
|
|
2е |
4 |
3' |
2е |
|
3 |
|
|
и |
|
Рис. 2.14. Три характерных положений якоря к пояснению процесса
коммутации в машине постоянного тока:
а, б, в - расположение секций якоря относителъно полюсов; г, д, е - располо
жение секций якоря относительно щеток; ж, з, и - эквивалентные схемы якор
ной обмотки; 1, 2, 3, 4 - секции якорной обмотки
расположение секций якорной обмотки относительно щеток в
этих положениях, а на рис. 2.14, ж - и представлены эквива
лентные электрические схемы якорной обмотки в этих же поло
жениях якоря.
2.2. При1-tцип действия коллектор1-tыхмаши1-t постоя1-t1-tого тока 55
Как видно из рис. 2.14, б, д, з, в процессе перехода секций 1 и 3
из одной параллельной ветви в другую в течение некоторого ин
тервала времени они оказываются закороченными через щетки
(так же, как и секция 2 на рис. 2.13, 6). Чтобы короткое замыкание
секций не вызывало чрезмерного увеличения тока в них, щетки
стремятся располагать около геометрической нейтрали (на одина ковом расстоянии между соседними главными полюсами). В этом
случае ЭДС, наводимая в секции при ее замыкании, минимальна. Однако даже в короткозамкнутой секции под действием этой ЭДС
могут возникать чрезмерные токи, приводящие к искрению под
щетками, что ограничивает работоспособность щеточно-коллек торного узла. Наиболее опасен круговой огонь, охватывающий
весь коллектор. Это приводит к оплавлению коллектора и выходу
машины из строя.
Обратим внимание также на то, что в момент замыкания сек
ции через щетку накоротко уменьшается суммарная ЭДС парал лельных ветвей. Так, в рассматриваемом выше примере МПТ с четырехсекционным якорем при его вращении ЭДС периодиче ски уменьшается в 2 раза. В результате возникают пульсации
мгновенной ЭДС якоря. Очевидно, амплитуда этих пульсаций
снижается, а частота, наоборот, возрастает по мере увеличения
числа секций якорной обмотки. В реальных машинах число сек ций якорной обмотки значительно больше четырех, поэтому пуль сациями ЭДС, тока, вызванными коммутацией тока в якорной об мотке, обычно пренебрегают.
Для улучшения условий коммутации МПТ используют дополни
тельные полюса 10 с соответствующей обмоткой 11 (см. рис. 2.12, а),
которые располагаются между главными полюсами. Поле, созда
ваемое дополнительными полюсами, снижает интенсивность поля
в зоне коммутации, в результате чего снижается уровень наводи
мой в коммутируемой секции ЭДС и поэтому улучшается работа
коллектора. Для этого за главным полюсом данной полярности по направлению вращения МПТ в режиме генератора должен следо
вать добавочный полюс противоположной полярности, а в режиме двигателя - добавочный полюс той же полярности. Обмотка до
полнительных полюсов включается последовательно с якорной
обмоткой. В качестве дополнительных средств улучшения комму тации можно использовать укорочение шага якорной обмотки,
сдвиг щеток с геометрической нейтрали, а также применение ще
ток со специальными характеристиками.
56 Глава 2. Принцип действия, элементы конструкции...
На рис. 2.12 показана МПТ с одной парой полюсов. В зависимо сти от мощности и назначения МПТ может иметь несколько пар
главных полюсов. Тогда соответственно увеличивается количество
дополнительных полюсов и щеток. Щетки всегда устанавливают
таким образом, чтобы МДС обмотки якоря Fя действовала в направ лении, перпендикулярном оси поля возбуждения (рис 2.15, а). Такое
положение щеток позволяет получить наибольший момент. Машина
постоянного тока наглядно иллюстрирует принцип взаимно перпен
дикулярных полей. Если рассматривать машину с точки зрения не
подвижного наблюдателя, то главные полюса также неподвижны.
В пространстве между ними находятся полюса от тока якоря, со
здающие перпендикулярное по отношению к полю главных полю
сов поле. Угол относительного смещения полей называется углом момента. В идеализированной МПТ он равен 90°, как это показано
на векторной диаграмме на рис. 2.15, 6.
ф •
Fя
а |
6 |
Рис. 2.15. Расположение щеток относительно главных
поmосов (а) и векторная диаграмма машины постоян ного тока (б)
Необходимо, однако, отметить, что реально результирующий
магнитный поток в воздушном зазоре МПТ создается не только
главными полюсами, но и якорной обмоткой. На рис. 2.16, а, б
условно показаны пути замыкания магнитных потоков, создавае
мых по отдельности главными полюсами и якорной обмоткой со
ответственно. Полярность полюсов и направления токов якоря по казаны для случая вращения якоря в направлении по ходу часовой
стрелки в генераторном режиме и против хода часовой стрелки -
в двигательном режиме работы машины. Взаимодействуя, поля
2.2. При1-tцип действия коллектор1-tыхмаши1-t постоя1-t1-tого тока 57
якоря и возбуждения создают результирующее поле, характер ко
торого условно показан на рис. 2.16, в. Как видно, под действием
поля якоря результирующее поле изменяется, в результате чего
ось симметрии результирующего поля а'Ь' смещается на некото
рый угол по отношению к оси симметрии машины аЬ. Влияние
поля якоря на результирующее поле МПТ называется реакцией
якоря. При расположении щеток на геометрической нейтрали (на
линии аЬ) реакция якоря поперечная, поскольку ось поля якоря
перпендикулярна оси основного поля.
а
а |
б |
в |
Рис. 2.16. К пояснению явления реакции якоря:
а и 6 - пути замыкания магнитного потока главных поmосов и якоря по отдельности;
в - пути замыкания результирующего потока
Для пояснения влияния реакции якоря на свойства МПТ рас
смотрим это явление подробнее. Распределение поля в воздушном
зазоре машины от тока якоря можно определить, проанализировав
упрощенный фрагмент линейной развертки ее поперечного сече ния с указанием направлений токов в обмотках якоря, как показа но на рис. 2.17, а. На основании закона Ампера для любого замк нутого контура l(x), охватывающего проводники с током, имеем
(2.9)
где х - текущая линейная координата.
В простейшем случае при бесконечно большой магнитной проницаемости магнитопровода можно считать, что в любой точке
58 Глава 2. Принцип действия, элементы конструкции...
воздушного зазора левая часть интеграла в (2.9) равна произведе
нию радиального размера !0 зазора на напряженность магнитного
поля в воздушном зазоре Н0• Правая же часть выражения (2.9) для
различных контуров интегрирования зависит от количества про
водников, находящихся внутри контура интегрирования. При ли
нейном распределении проводников по поверхности якоря число
проводников, приходящееся на единицу длины окружности якоря,
называемое обычно линейной нагрузкой, можно определить как
A=IaN
nD'
где Ia - ток в проводниках; N - число проводников; D - диа
метр якоря. Если поместить начало отсчета на ось симметрии по
люса (рис. 2.17, а), то МДС от тока якоря в точке, расположенной
на расстоянии х от начала отсчета, может быть определена как
При достаточно большом числе проводников якорной обмотки
можно считать, что создаваемая ею МДС вдоль окружности якоря распределена линейно. При этом максимум МДС приходится на
геометрическую нейтраль, где установлены щетки.
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
F |
|
1 |
1 |
|
|
, |
я |
1 |
|
1 |
|
|
// |
, |
1 |
|
1 |
|
/ |
|
, |
|
1 |
1 |
|
/ |
|
' |
|
1 |
1 |
/ |
/ |
|
|
',' 1 |
|
/1
/1
//1
/
/
' /
а |
б |
Рис. 2.17. Магнитное поле в воздушном зазоре
машины при наличии реакции якоря:
а - распределение поля от тока якоря; б - распределе
ние результирующего поля
2.2. При1-tцип действия коллектор1-tыхмаши1-t постоя1-t1-tого тока 59
Примерное распределение магнитной индукции от якорной
обмотки Вя показано на рис. 2.17, б. Заметим, что кривая Вя прак
тически повторяет по форме Fя за исключением межполюсных
промежутков, где ее снижение есть следствие увеличения воз
душного зазора. С учетом распределения магнитной индукции Вв
поля возбуждения, картина распределения результирующей ин
дукции Br, в зазоре машины наиболее просто находится при от
сутствии насыщения - суммированием ординат кривых Вя и Вв
(см. рис. 2.17, б). Очевидно, что при нагрузке происходит искаже
ние магнитного поля по отношению к режиму холостого хода. Под
одним краем полюса оно ослабляется, под другим - усиливается.
В режиме генератора ослабление поля происходит на набегаю
щем крае полюса, а усиление - на сбегающем. В двигательном режиме картина обратная.
В идеальном случае без учета насыщения усиление и ослабле ние поля происходят в одинаковой степени, в результате чего маг
нитный поток сохраняет то же значение, что и при холостом ходе. В
реальных условиях магнитная система насыщена, причем более насыщена часть полюса с большей индукцией. Поскольку с насы
щением магнитное сопротивление возрастает, результирующая ин
дукция Вr.,н под этой частью полюса оказывается меньше суммы ин
дукций полей возбуждения Вв и якоря Вя (см. рис. 2.17, б). В резуль
тате ослабление поля проявляется сильнее, чем усиление. Поэтому в
насыщенной машине реакция якоря является размагничивающей,
что отрицательно сказывается на характеристиках машины.
Из рис. 2.17, б также следует, что точки, где кривая индукции Br,
проходит через нуль, смещаются относительно геометрической
нейтрали, определяя положение так называемой физической нейтрали. В генераторном режиме физическая нейтраль смеща
ется относительно геометрическои неитрали в сторону враще
ния якоря, в двигательном режиме - в противоположную сторо
ну. Для снижения проявления поперечной реакции якоря служит
специальная компенсационная обмотка, включаемая как и обмотка дополнительных полюсов последовательно с якорной обмоткой.
Поток, создаваемый ею, направлен встречно потоку якоря и ком
пенсирует его.
При сдвиге щеток с геометрической нейтрали в МПТ появля
ется продольная реакция якоря. Ее появление можно объяснить
тем, что МДС якоря Fя в этом случае можно условно разложить на
60 Глава 2. Принцип действия, элементы конструкции...
две составляющие, одна из которых направлена по геометрической
нейтрали и образует поперечную реакцию якоря, а другая - по
оси главных полюсов и является продольной реакцией якоря.
В зависимости от направления сдвига щеток она может быть раз
магничивающей или намагничивающей, т. е. ослабляющей или усиливающей поле возбуждения. Тем не менее в большинстве случаев можно считать, что входящий в выражения (2.6) и (2.8)
поток Ф создается только обмоткой возбуждения, т. е. реакция
якоря не проявляется, а коммутация секций якорной обмотки про
исходит мгновенно.
Рис. 2.18. Влияние зубчатой
структуры якоря на распре
деление магнитного поля
машины постоянного тока
Также необходимо иметь в виду,
что при зубчатой конструкции магни
топровода якоря из-за экранирующего
действия зубцов внешнее поле в обла сти пазов с проводниками обмотки
якоря резко ослаблено и большая
часть магнитного потока, создаваемо
го полюсами, замыкается через зубцы,
как это условно показано на рис. 2.18. Поэтому реально развиваемый элек
тромагнитный момент имеет две со
ставляющие. Причем только меньшая
его часть возникает непосредственно
в результате взаимодействия тока
якоря и магнитного потока. Большая
же часть электромагнитного момента
есть результат взаимодействия полей от обмотки якоря и обмотки возбуждения и приложена к боковым поверхностям зубцов. Отме тим, что эта же особенность справедлива для всех индуктивных
электрических машин, проводники в которых расположены в па
зах. В сумме эти две составляющие образуют результирующий
момент, значение которого для МПТ определяется в соответствии
с выражением (2.8).
Из изложенного следует, что отмеченные выше особенности реальных конструкций и работы МПТ не изменяют общего вида выражений для ЭДС (2.6) и электромагнитного момента (2.8),
полученных для ее простейшей модели. Они отражаются только
на коэффициенте пропорциональности k, входящем в (2.6) и (2.8). При числе N активных проводников обмотки, числе а параллельных