Задачи и вопросы по электрическим машинам. Учебно-методическое пособие

за другом ответвлениями к коллекторным пластинам, называется секцией. Обмотка имеет большое число секций, каждая из которых состоит из одного или нескольких витков. Число коллекторных пластин равно числу секций. На рисунке 4.1 обмотка состоит из 12 одновитковых секций, а коллектор имеет 12 пластин.

При вращении якоря в проводниках его обмотки индуцируется ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. В кольцевой обмотке ЭДС будет индуцироваться только в проводниках, расположенных на внешней поверхности сердечника. В проводниках, лежащих на внутренней поверхности, ЭДС не наводится, так как эти проводники не пересекают индукционных линий магнитного поля.

В обмотке якоря машины постоянного тока наводится переменная ЭДС, так как каждый проводник проходит полюсы разной полярности, вследствие чего ЭДС в них меняет свое направление. Если машина работает генератором, то переменная ЭДС обмотки должна быть выпрямлена. Достигается это с помощью коллектора. С коллектором соприкасаются неподвижные щетки Щ, посредством которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью. Для того чтобы ЭДС на выводах машины была максимальной, щетки следует установить в тех местах, где ЭДС, наводимая в проводниках, меняет направление. Это происходит под серединой межполюсного промежутка. Воображаемая линия, проведенная через середину межполюсного промежутка, называется геометрической нейтралью ГН. Следовательно, в машинах постоянного тока щетки должны быть установлены на геометрической нейтрали. Поскольку число нейтралей равно числу полюсов, то и число мест, где устанавливаются щетки, выбирается равным числу полюсов.

Для момента времени, изображенного на рисунке 4.1, между парой соседних щеток включены проводники обмотки якоря с одинаковым направлением ЭДС. Поэтому щетки, соприкасающиеся с определенными коллекторными пластинами, будут иметь указанную полярность.

81

При вращении якоря расположение проводников

иколлекторных пластин в пространстве будет меняться, при этом будет изменяться направление ЭДС, индуцируемой в проводниках. Но всегда между коллекторными пластинами, с которыми соприкасаются неподвижные щетки, будут располагаться проводники с одинаковым направлением ЭДС, и щетки всегда будут иметь определенную полярность. Полярность соседних щеток, как и полярность полюсов, будет чередующейся. Щетки одноименной полярности соединяются между собой, а к их общим точкам подключается внешняя сеть. При наличии коллектора во внешней сети генератора будет протекать постоянный ток, в то время как в обмотке якоря ЭДС и ток будут переменными.

Вдвигателях постоянного тока к щеткам подводится постоянный ток. Роль коллектора в этом случае состоит в том, чтобы в любой момент времени обеспечить такое распределение тока по обмотке якоря, при котором под полюсами разной полярности располагались бы проводники с противоположным направлением тока. Для определенного момента времени такое распределение тока в якоре соответствует рисунку 4.1, если принять на нем, что крестиками

иточками обозначены направления тока. При таком распределении тока электромагнитные силы всех проводников направлены в одну сторону, в чем можно убедиться, применив правило левой руки. В результате этого двигатель будет создавать наибольший вращающий момент.

Вреальных условиях работы с нагрузкой в машине одновременно действуют магнитные потоки обмотки возбуждения и обмотки якоря, создающие результирующее поле, которое можно рассматривать как сумму двух магнитных полей.

Воздействие магнитного поля якоря на магнитное поле возбуждения называют реакцией якоря.

Реакция якоря при нагрузке машины оказывает размагничивающее действие, и поэтому поток при нагрузке всегда меньше потока при холостом ходе.

82

Наличие реакции якоря может приводить к возникновению кругового огня, который представляет собой электрическую дугу на поверхности коллектора между щетками разной полярности, при этом происходит короткое замыкание машины – сила тока резко увеличивается, что приводит к повреждению коллектора и выходу машины из строя.

Для устранения отрицательного воздействия реакции якоря на работу машин постоянного тока в них применяется компенсационная обмотка. Компенсационную обмотку располагают в пазах главных полюсов, соединяют последовательно с обмоткой якоря и включают таким образом, чтобы образуемая ею МДС была направлена встречно МДС якоря и компенсировала ее действие.

При вращении якоря коллекторные пластины поочередно входят в соприкосновение со щеткой, при этом секции, присоединенные к этим пластинам, замыкаются щеткой, а при дальнейшем перемещении якоря переходят

вдругую параллельную ветвь. При переходе секций из одной параллельной ветви в другую ток в них меняет направление на противоположное.

Процесс переключения секций из одной параллельной ветви в другую носит название коммутации. Секция, замкнутая щеткой, называется коммутируемой секцией.

При коммутации машины может наблюдаться искрение в щеточном контакте на коллекторе. Сильное искрение вызывает порчу поверхности коллектора и щеток и делает длительную работу машины невозможной. Основным средством улучшения коммутации в современных машинах является применение дополнительных полюсов. Дополнительные полюсы устанавливают между главными полюсами. Обмотку добавочных полюсов включают последовательно

вцепь якоря.

Электродвижущая сила в обмотке якоря и электромагнитный момент. При вращении якоря в магнитном поле полюсов в проводниках обмотки якоря будет наводиться ЭДС. В этом случае ЭДС якоря Е равна

83

где ce = (р ∙ N) / (60 ∙ a), c = (р ∙ N) / (2 ∙ π ∙ a) – конструктивные постоянные машины; р – число пар полюсов; а – число пар параллельных ветвей; N – общее число активных проводников якоря.

Из (4.1) и (4.2) следует, что с = 9,55 ce.

ЭДС якоря Е пропорциональна частоте вращения (или угловой скорости), основному потоку и не зависит от формы распределения индукции в воздушном зазоре машины.

При нагрузке машины по проводникам обмотки протекает ток iа = Iа / (2 ∙ а) (Iа – ток цепи якоря). При взаимодействии этого тока с магнитным полем возникает электромагнитный момент, который равен

Из (4.3) следует, что электромагнитный момент машины постоянного тока будет пропорционален магнитному потоку и току якоря.

При работе машины в генераторном режиме электромагнитный момент направлен в сторону, противоположную вращению якоря, т.е. будет оказывать тормозящее действие.

В двигательном режиме работы машины направление момента изменится. Он будет действовать в сторону вращения якоря, т.е. будет движущим.

Генераторы постоянного тока. Генераторы постоянного тока являются источниками постоянного тока, в которых осуществляется преобразование механической энергии в электрическую. Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем, в качестве которого могут быть использованы электрические двигатели (синхронные или асинхронные), двигатели внутреннего сгорания и т.д.

Под номинальной мощностью генератора понимается мощность, отдаваемая машиной в сеть, а под номинальным током – ток нагрузки, соответствующий этой мощности.

84

Классификация генераторов постоянного тока производится по способу их возбуждения. Они подразделяются на генераторы с независимым возбуждением и с самовозбуждением.

Генераторы с независимым возбуждением выполняются с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением. В генераторах с электромагнитным возбуждением обмотка возбуждения, расположенная на главных полюсах, подключается к независимому источнику питания (рисунок 4.2, а). Сила тока цепи возбуждения Iв может изменяться в широких пределах с помощью резистора Rв. Мощность, потребляемая обмоткой возбуждения, невелика и в номинальном режиме составляет 1…5 % номинальной мощности генератора. Обычно процентное значение мощности возбуждения уменьшается с возрастанием номинальной мощности машины.

В генераторах с магнитоэлектрическим возбуждением для создания поля используются постоянные магниты, из которых изготовляются полюсы машины. С таким видом возбуждения выполняются генераторы относительно небольшой мощности. Недостатком генераторов с магнитоэлектрическим возбуждением является трудность регулирования напряжения.

У генераторов с самовозбуждением обмотка возбуждения получает питание от собственного якоря. В зависимости от способа ее включения генераторы с самовозбуждением делятся на генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

Схема соединения генератора параллельного возбуждения показана на рисунке 4.2, б. Резистор Rв дает возможность изменять ток возбуждения Iв, а следовательно, и выходное напряжение. Ток якоря Iа у этого генератора равен сумме Iа = Iв + I, где I – ток нагрузки. Ток возбуждения относительно мал и для номинального режима составляет 1…5 % номинального тока машины.

85

Рисунок 4.2 – Схемы генераторов постоянного тока с независимым (а),

параллельным (б), последовательным (в)

исмешанным (г) возбуждением

Угенератора последовательного возбуждения обмотка возбуждения соединяется последовательно с якорем, и ее ток возбуждения равен току якоря: Iв = Iа = I (рисунок 4.2, в).

Угенераторов смешанного возбуждения (рисунок 4.2, г) на полюсах размещаются две обмотки. Одна обмотка, имеющая большое число витков и выполненная из проводников относительно небольшого сечения, включается параллельно

сякорем, а другая обмотка с малым числом витков из про-

водников большого сечения включается последовательно

сякорем. Ток якоря такого генератора равен Iа = Iв + I.

Уэтих генераторов параллельная и последовательная обмотки могут быть включены согласно (МДС этих обмоток направлены согласно) и встречно (их МДС направлены встречно). В зависимости от этого различаются генераторы смешанного согласного включения и генераторы смешанного встречного включения. Обычно в генераторах смешанно-

86

го возбуждения основная часть МДС возбуждения создается параллельной обмоткой. Генераторы параллельного, последовательного и смешанного возбуждения называют соответственно генераторами шунтового, сериесного и компаундного возбуждения.

Уравнение равновесия напряжения. Напряжение на выводах генератора U всегда будет меньше наводимой в обмотке якоря ЭДС Е на значение падений напряжения. Согласно второму закону Кирхгофа

где Iа Σrа – падение напряжения в обмотках; Uщ – падение напряжения в щеточном контакте; Σrа – суммарное сопротивление всех обмоток, обтекаемых током якоря.

Сопротивление Σrа включает сопротивления обмотки якоря и всех последовательно соединенных с ней обмоток. В общем случае

где ra, rд, rс, rк – сопротивления обмоток якоря, дополнительных полюсов, последовательной (сериесной) и компенсационной.

В зависимости от конкретной схемы генератора часть сопротивлений в Σrа будет отсутствовать.

Для приближенных расчетов уравнение (4.4) можно упростить:

где Rа = Σrа + rщ; rщ – переходное сопротивление щеточного контакта, которое приближенно принимается постоянным и равным rщ = Uщ / Iа ном.

Ток якоря генератора Iа обусловлен ЭДС E и всегда имеет с ней одинаковое направление:

87

Уравнение баланса мощности. Это уравнение получим, если правую и левую часть (4.4) умножим на ток Iа:

U ∙ Iа = E ∙ Iа – Iа2 ∙ Σrа – Uщ ∙ Iа.

Произведение E ∙ Iа = Рэм называется электромагнитной мощностью и представляет собой полную электрическую мощность, которая получается в результате преобразования механической мощности. Часть этой мощности расходуется в цепи якоря на электрические потери в обмотках Iа2 ∙ Σrа = = Рэа и в сопротивлении щеточного контакта Uщ ∙ Iа = Рэщ. Остальная часть мощности, равная произведению UIа, является отдаваемой мощностью генератора. В генераторах независимого возбуждения эта мощность поступает во внешнюю сеть и является полезной мощностью генератора:

В генераторах параллельного и смешанного возбуждения полезная мощность Р2, отдаваемая в сеть, будет меньше на значение мощности, затрачиваемой на возбуждение:

К генератору от двигателя, приводящего во вращение его якорь, подводится механическая мощность P1. Большая часть этой мощности преобразуется в электромагнитную Рэм, а другая ее часть расходуется в генераторе на покрытие механических потерь Рмх (трение в подшипниках, вентиляцию), магнитных потерь в якоре Рм и добавочных потерь Рд:

Уравнение равновесия моментов. Поделив правую

илевую части уравнения (4.10) на угловую скорость якоря

ω= 2 π n / 60, получим уравнение момента

или

88

M1 = Mэм + M0,

где М1 = Р1 / ω; Mэм = Рэм / ω; М0 = (Рмх + Рм + Рд) / ω.

Электромагнитный момент Мэм в генераторе направлен против вращения и равен Мэм = сIаФ. При увеличении силы тока Iа возрастает электромагнитный момент, а следовательно, момент и мощность, поступающая от приводного двигателя.

Двигатели постоянного тока. Двигатели постоянного тока находят широкое применение в электроприводах механизмов, где требуется широкое изменение частоты вращения. Они используются в горной и металлургической промышленности, станкостроении, системах автоматического регулирования, на электрическом транспорте, в авиации и автомобилестроении. Двигатели постоянного тока могут иметь мощность в пределах от нескольких ватт до нескольких тысяч киловатт.

Двигатели постоянного тока, как и генераторы постоянного тока, классифицируются по способу включения обмотки возбуждения: независимого возбуждения, параллельного (шунтового) возбуждения, последовательного (сериесного) возбуждения и смешанного (компаундного) возбуждения.

Принципиальные схемы этих двигателей приведены на рисунке 4.3.

Ток якоря Ia в двигателях независимого и последовательного возбуждения равен току I, потребляемому двигателем из сети, а в двигателях параллельного и смешанного возбуждения Ia = I – Iв (Iв – ток возбуждения). Мощность, затрачиваемая на возбуждение, составляет 1…5 % номинальной мощности двигателя. Меньшее значение относится к более мощным двигателям.

Уравнение равновесия напряжения. Приложенное к якорю напряжение уравновешивается наведенной в обмотке якоря ЭДС Е и падением напряжения в цепи. Согласно второму закону Кирхгофа

89

где Iа Σrа – падение напряжения в обмотках; Uщ – падение напряжения в щеточном контакте; Σrа = ra + + rд + rс + rк – суммарное сопротивление всех обмоток, обтекаемых током якоря; ra, rд, rс, rк – сопротивления обмоток якоря, дополнительных полюсов, последовательной и компенсационной.

Рисунок 4.3 – Схемы двигателей постоянного тока с независимым (а), параллельным (б), последовательным (в) и смешанным (г) возбуждением

Ток якоря Ia в двигателях независимого иХарактерным условием работы машины в двигательном режиме является неравенство U > E. В связи с этим ток в якоре двигателя имеет направление, совпадающее с направлением приложенного напряжения и встречное с ЭДС.

Уравнение баланса мощности. Умножая правую и левую части (4.12) на ток Iа, получаем

90