4. Машины постоянного тока

4-1. Устройство и принцип действия машин постоянного тока

Машины постоянного тока широко используются в качестве источника постоянного тока, либо преобразователя электрической мощности в механическую. Первая машина работает в режиме генератора, вторая в режиме двигателя. Двигатели постоянного тока широко используются в регулируемом электроприводе.

Работа этих машин основана на двух законах:

1. Закон электромагнитной индукции

,где

- индукция,

- длина проводника,

- линейная скорость,

2. Закон электромагнитных сил:

,где

- сила воздействия на проводник

- ток в проводнике,

ЭДС, наводимая в проводнике, получается за счет того, что проводник пересекает магнитное поле со скоростью .

Рис. 153

Поэтому в реальной машине должно быть две основные части:

первая часть – создает магнитный поток,

вторая часть – в которой индуктируется ЭДС.

Первая часть в машине постоянного тока неподвижна. К станине (1) крепятся шматованные полюса (2) на которых располагается обмотка возбуждения (3) (рис. 158).

Обмотка возбуждения создает магнитный поток при протекании по ней постоянного тока.

Рис. 159

Вторая часть – якорь. Якорь вращается. Представляет собой цилиндр набранный из листов электротехнической стали (4).В наружной части якоря расположены пазы, где укладываются секции обмотки (5). Каждая секция соединяется с пластинами коллектора (6). Коллектор служит для выпрямления переменной ЭДС в постоянную величину (режим генератора). Эта ЭДС снимается с помощью щеток (7), рис. 159.

Рассмотрим принцип выпрямления (рис. 160):

В

Рис. 160

иток (8) подсоединен к двум кольцам и вращается в магнитном поле. При вращении витка в проводниках (1,2) будет наводиться переменная ЭДС (под северным полюсом одно направление, а под южным другое). Снятое со щеток напряжение будет иметь синусоидальный характер (рис. 160).

Если кольцо разрезать пополам и подсоединить к ним проводники (1,2) то это уже будет элементарный коллектор – выпрямитель, (рис. 161).Независимо от того,

какое полукольцо с проводником (1) или (2) подойдет к нижней щетке, направление ЭДС, снимаемое нижней щеткой, будет одним и тем же. Для внешней цепи плюс будет на нижней щетке, а минус на верхней. При одном витке выпрямленная ЭДС будет иметь большую пульсацию. При увеличении числа витков (коллекторных пластин) пульсация резко уменьшается,

(рис. 162).

Пульсация ЭДС характеризуется величиной .

- зависит от числа коллекторных пластин на полюс. При одном витке (одной коллекторной пластине на полюс) пульсация составляет .

,

При одном витке

, ,

т. е. с увеличением числа коллекторных пластин на полюс пульсация ЭДС резко снижается :

если ,

на (рис. 162) видно, что при двух витках ()

Рис.161

, то

пульсация ЭДС резко снижается.

, то

Из всего сказанного следует, что коллектор является той частью машины, которая преобразует машину переменного тока в машину постоянного тока.

Рис. 162

4-2. Обмотки якоря машин постоянного тока

В процессе развития машин постоянного тока не сразу пришли к современному типу якоря – цилиндрическому. На первом этапе развития якорь был кольцевым. Но в связи с малым использованием меди в этих якорях перешли к барабанным. В пазах железа якоря укладывается обмотка. Под обмоткой понимается вся совокупность проводников, которые закладываются в пазы и которые соединяются в строго определенном порядке. Число которых достигает нескольких сотен и даже тысяч.

Основные требования, предъявляемые к обмотке

1. Обмотка должна быть замкнута сама на себя, т. е. если начали обход обмотки от какой-то пластины, то после обхода обмотки должны прийти к этой же пластине.

2. Отдельные проводники обмотки соединены таким образом, при котором обеспечивается наибольшая ЭДС.

3. Сумма ЭДС по контуру обмотки должна быть равна нулю, (рис. 163). Если по контуру обмотки сумма ЭДС не равна нулю, то появляются уравнительные токи.

Для того, чтобы представить себе обмотку, пользуются методом развертки.

Основным элементом обмотки является секция. Секцией называется часть обмотки, которая заключена между двумя коллекторными пластинами.

Рис. 163

В машинах постоянного тока используются следующие типы обмоток:

1. Простая петлевая обмотка

2. Простая волновая обмотка

3. Сложно-петлевая обмотка

4. Сложно-волновая обмотка

5. Смешанная (лягушечья) обмотка

4-2-1. Простая петлевая обмотка

Для того, чтобы выполнить обмотку в развернутом виде необходимо рассчитать четыре шага; (рис. 164)

1. Первый шаг – шаг по коллектору –

Шаг по коллектору – расстояние между осями коллекторных пластин концов секции.

Ш

Рис. 164

аг по коллектору измеряется числом коллекторных делений. В простой петлевой обмотке шаг по коллектору. В практике используется правоходовая (знак).

2. Второй шаг – первый частичный шаг – это расстояние между начальной и конечной активными сторонами секции –.

- измеряется числом элементарных пазов,

рис. 21 расположенных между активными сторонами.

рис. 165

Элементарным пазом называется такой паз, в котором расположены две активные стороны. На рис.165 представлен один реальный паз с тремя элементарными.

3. Третий шаг – второй частичный шаг –

- это расстояние между конечной стороной одной секции и начальной стороной другой секции и измеряется элементарными пазами.

4. Четвертый шаг -- результирующий шаг – это расстояние между соответствующими сторонами двух секций идущими одна за другой.

Этими основными шагами и характеризуется обмотка. В любой обмотке активные стороны секции необходимо расположить так, чтобы в них индуктировалась наибольшая ЭДС.

Максимальная ЭДС будет тогда, когда активные стороны проходят через центр полюсов, рис. 166.

Первый частичный шаг определяется по формуле, где

- число элементарных пазов

- число полюсов

Рис. 166

- долевая величина, которая обеспечивает целое число

Если , то это обмотка с полным шагом, если, то с укороченным шагом.

Определим результирующий шаг - .

Обозначим:

- число секций

- число коллекторных пластин

- число элементарных пазов

При элементарных пазах число секций равно числу коллекторных пластин. Кроме того, число элементарных пазов равно числу секций.

Тогда

Так как отступление секций по коллектору строго соответствует отступлению секций по элементарным пазам, следовательно.

Второй частичный шаг – .

В простой петлевой обмотке число параллельных ветвей равно числу полюсов (рис. 167).

Число параллельных ветвей определяют область применения машины.

Простая петлевая обмотка применяется для машин средней мощности при номинальном напряжении.

рис. 167

4-2-2. Простая волновая обмотка

На рисунке представлены секции волновой обмотки с указанием основных шагов, (рис. 168).

О

рис. 168

пределение основных шагов: первый частичный шаг

При обходе якоря, каждая секция волновой обмотки занимает по окружности якоря двойное полюсное деление. Если машина имеет - - пар полюсов, то при обходе окружности якоря мы уложимсекций. Причем последняя секция либо не дойдет на исходную коллекторную пластину (на одну раньше), либо перейдет исходную коллекторную пластину, т.е.(в практике используется левоходовая обмотка со знаком минус). Откуда шаг по коллектору

Так как отступление секций по коллектору строго соответствует отступлению секций по элементарным пазам, отсюда ,.

Впростой волновой обмотке число параллельных ветвей равно,

У

Рис. 169

словно простую волновую обмотку можно представить на рис. 169. Из рисунка видно, что чем больше число полюсов, тем выше напряжение на якоре. Поэтому простая волновая обмотка используется для машин малой мощности но при повышенном напряжении. Число установленных щеток равно числу полюсов.

Сложные обмотки

Сложные обмотки состоят из простых обмоток и бывают сложно-петлевые и сложно-волновые.

4-2-3. Сложно-петлевая обмотка

сложная обмотка отличается от простой обмотки шагом по коллектору, рис. 170.

(обычно не более).

Результирующий шаг .

Шаг , а.

С

24

1

2

3

4

ложно-петлевые обмотки могут быть однократнозамкнутые и двухкратнозамкнутые (двух ходвые).

П

рис. 170

устьнамотку производим спластины, т. е.и т.д. получим одну обмотку. Вторая обмотка будет

соединена со всеми четными пластинами (и т. д.). В этом случае получим две независимые обмотки (двухкратнозамкнутую обмотку).

Если при нечетном числепри намотке обойдем секции соединенные с нечетными пластинами, а затем обмотку соединенную с четными пластинами. В этом случае получим двух ходовую однократнозамкнутную обмотку. Эта обмотка чаще используется на практике.

В сложно-петлевой обмотке число параллельных ветвей , т. е. можно увеличить число параллельных ветвей, не изменяя число полюсов. Эти обмотки применяются для токов большой величины, так как в них число параллельных ветвей велико. Поэтому сложно-петлевые обмотки применяются для машин большой мощности при номинальном напряжении.

4-2-4. Сложно-волновые обмотки

Сложно-волновые обмотки состоят из простых волновых обмоток. Они могут быть однократнозамкнутые (двух ходовые) и двухкратнозамкнутыми. Основные шаги определяются:

, ,,где.

Число параллельных ветвей в сложно-волновой обмотке .

Сложно-волновая обмотка применяется для машин средней мощности с повышенным напряжением.

На практике намотку ведут по реальному шагу , где:- число элементарных пазов,- число реальных пазов.

4-2-5. Симметрия обмоток и уравнительные соединения

Обмотка состоит из параллельных ветвей, ветви обмотки совершенно одинаковы – симметричные. В симметричной обмотке в параллельных ветвях наводятся одинаковые ЭДС и протекают одинаковые токи, но для этого необходимо выполнить ряд условий.

Условия симметрии обмотки :

На каждую пару параллельных ветвей () должно приходиться одинаковое число секции (), реальных пазов (), и полюсов ().

1. 

2. 

3. 

Впрактике этих условий недостаточно. Приходится использовать уравнительные соединения первого рода и уравнительные соединения второго рода.

а) Уравнительные соединения первого рода.

Уравнительные соединения первого рода применяются для выравнивания магнитной несимметрии и используются только для петлевых обмоток.

В

рис.171

петлевых обмотках, каждая ветвь расположена под своим полюсом. Но поток может быть неодинаков из-за неравномерного зазора (просел подшипник, неправильная сборка машины), что приводит к магнитной несимметрии. А при магнитной несимметрии машина работает в не нормальных условиях: перегрузка отдельных ветвей, недогрузка других. (см. рис. 171).

В обмотках при нормальных условиях имеются точки с одинаковыми потенциалами и если их соединить уравнителями, то тока в них не будет. При нарушении магнитной симметрии в параллельных ветвях наводятся различные ЭДС, что приводит к появлению уравнительных токов внутри обмотки. Этот уравнительный ток ликвидирует магнитную

несимметрию. По обмотке и уравнительным соединениям протекает переменный ток. Создается многофазная система, которая создает вращающееся поле. Это поле вращается с такой же скоростью что и якорь, но в противоположную сторону, т. е. оно неподвижно относительно полюсов. Это поле усиливает поток под полюсами где оно ослаблено и ослабляет поток, где поле большое. Таким образом происходит выравнивание магнитной несимметрии.

Способы выполнения уравнительных соединений первого рода

Уравнительные соединения первого рода выполняются либо со стороны коллектора, либо с противоположной стороны на изолирующих кольцах.

В обмотке имеются точки с одинаковыми потенциалами. Эти точки должны быть соединены. Промежуток между равнопотенциальными точками одинаков. Шаг уравнительного соединения определяется по формуле , где- число пар параллельных ветвей.

Число определяет число точек соединенных в один узел

Рис. 172

Пример:

То одинаковый потенциал имеют следующие точки.

В примере уравнительные соединения выполнены

со стороны коллектора. Если они выполнены с -----------

противоположной стороны, то точки одинакового , рис. 172

потенциала собираются на изолирующих кольцах.

Однако при большом количестве коллекторных пластин полное число уравнительных соединений не выполняется (только в специальных машинах). Обычно делают на один реальный паз один уравнитель.

Уравнители выполняются проводом сечением от сечения провода обмотки. Уравнительные соединения первого рода применяются только в петлевых обмотках, а в волновых уравнительные соединения первого рода не нужны, так как число пар параллельных ветвей(одна равнопотенциальная точка). Кроме того, параллельные ветви волновой обмотки последовательно проходят через все полюса, то магнитная несимметрия одинаково сказывается на этих параллельных ветвях.

б) Уравнительные соединения второго рода

Уравнительные соединения второго рода применяются только для сложных обмоток: сложно-петлевых и сложно-волновых.

Уравнительные соединения второго рода служат для выравнивания неравномерного распределения потенциала вдоль коллектора.

В сложных все происходит по разному, простые обмотки лежат рядом и на коллекторе перекрываются одной щеткой. Если сопротивления между коллекторными пластинами и щеткой равны, то изменение потенциала сказывается одинаково на обеих обмотках.

О

Рис. 173

днако переходные сопротивления (коллектор-щетка) простых обмоток не равны и распределения токов в этих обмотках будут неравномерными. А это приведет к неравномерному распределению потенциала на коллекторе. Для выравнивания неравномерного потенциала на коллекторе выполняют уравнительные соединения второго рода, рис. 173.

Уравнительные соединения второго рода должны соединять коллекторные пластины простых обмоток, имеющих при нормальных условиях одинаковые потенциалы. Шаг уравнительного соединения .

Сложно-петлевые обмотки имеют уравнительные соединения первого и второго рода.

Сложно-волновые обмотки имеют только уравнительные соединения второго рода.

4-2-6. Смешанная (лягушечья) обмотка

Секции этой обмотки представляют собою комбинацию простых обмоток (петлевой и волновой), рис. 173 , а. Эта обмотка применяется для машин большой мощности. В этой обмотке уравнительные соединения не нужны.

В роли уравнителя первого рода служит секция волновой обмотки, в роли уравнителя второго рода служит секция петлевой обмотки.

Рис. 173, а

4-2-7. Расчет магнитной цепи машины постоянного тока.

Расчет магнитной цепи машины постоянного тока сводится к тому, чтобы определить намагничивающую силу необходимую для создания в воздушном зазоре потока , который создает заданнуюЭДС в обмотке якоря.

Магнитную цепь обычно рассчитывают на пару полюсов. Так как участки магнитной цепи имеют различное сечение и выполнены из различных материалов то считают, что на каждом участке напряженность магнитного поля постоянная.

Рис. 174

При расчете магнитной цепи рассматривают следующие участки:

1. воздушный зазор - ,

2. зубцовая зона якоря - ,

3. спинка якоря - ,

4. полюса - ,

5. ярмо станины - .

Магнитная цепь на пару полюсов представлена на рис. 174.

1. Расчет магнитного напряжения воздушного зазора.

При зубчатом якоре индукция имеет сложный характер (рис…). Действительную картину магнитной индукции заменяют равновеликим прямоугольником ( ), где

- расчетная величина полюсной дуги

- расчетный коэффициент полюсной дуги

Рис. 175

().

, .

Распределение индукции вдоль оси представлено на рис. 176.

Где: - длина полюса,

- длина якоря,

- расчетная длина якоря,

- длина без вентиляционных каналов.

, .

Рис. 176

Гладкий якорь.

Поток , откуда, т.к., то магнитное напряжение гладкого якоря равно.

Зубчатый якорь.

Зубчатый якорь при расчете приводят к гладкому, при этом , где- расчетная величина зазора,- коэффициент зазора

, тогда магнитное напряжение зубчатого якоря определится

.

2. Магнитное напряжение зубцовой зоны, рис. 177.

Магнитное напряжение зубцовой зоны рассчитывают на одно зубцовое деление.

- зубцовое деление, .

Считается, если индукция зубца Тл, то весь поток зубцового деления проходит через зубец, а еслиТл , то часть потока проходит через зазор, т.е..

Рис. 177

Разделим это выражение на , получим, где

- расчетная величина индукции, - реальная индукция зубца,

- индукция в пазу. Запишем , так как

, то , где- зубцовый коэффициент.

По этой формуле строится зависимость при различных коэффициентах., рис. 178

По заданной определяетсяи(точка).

Рис. 178

Расчетная индукция исходит из того, что весь поток зубцового деления проходит через зубец, т.е. .

, откуда , где.

.

Находим расчетную индукцию для трех значений зубца () при различных коэффициентах(рис…).

, ,.

Зная марку стали, определяем напряженность для трех значений зубца.

, определяем расчетную напряженность зубца.

,

.

Магнитная напряженность зубцовой зоны

3. Магнитное напряжение спинки якоря.

, индукция спинки якоря .

Для данной марки стали определяем .

Магнитное напряжение спинки якоря , где

4.Магнитное напряжение полюсов и ярма.

Поток полюса где- поток рассеяния,

- коэффициент рассеяния. ().

Индукция полюса , зная материал полюса по.

Магнитное напряжение полюса .

Поток ярма индукция ярма

, по .

Магнитное напряжение ярма , где

Определяем намагничивающую силу на пару полюсов , по заданнойЭДС определяем поток ,

Задавшись различными значениями потока определяеми стоим кривую намагничивания, рис. 179.

Где, коэффициент насыщения.

, ,

получим характеристику холостого хода, зная и

, ,.

Рис. 179

Итак, рассчитав магнитную цепь на пару полюсов, определяем намагничивающую

силу необходимую для проведения заданного магнитного потокапо всем участкам магнитной цепи.

4-3. ЭДС обмотки якоря

При вращении якоря секции проходят под полюсами, при этом в них наводится ЭДС . Но индукция по всей площади полюсного деления не одинакова (рис. 180), к краям она уменьшается из-за большого сопротивления воздуха. Поэтому в расчетах берется средняя индукция.

Обмотка якоря имеет проводников.

Е

Рис.180

сли обмотка якоря имеетпараллельных ветвей, то на одну параллельную ветвь будет приходитьсяпроводников. Поэтому для определения ЭДС обмотки якоря достаточно определить ЭДС одной параллельной ветви. Общая ЭДС ветви будет определяться суммой ЭДС в отдельных проводниках.

, , где- число оборотов в минуту. Выразим величину () через число полюсов () и полюсное деление ().тогда, где- поток одного полюса,, где-коэффициент зависящий от конструкции двигателя.

Окончательно .

ЭДС якоря зависит от потока и скорости вращения.

4-4. Реакция якоря в машинах постоянного тока

В режиме холостого хода генератора постоянного тока ток возбуждения создает основной поток, который при вращении якоря наводит в обмотке якоря ЭДС. Поток при холостом ходе имеет симметричный характер, рис. 181. Если якорную цепь подключить к нагрузке, то по обмотке якоря будет протекать ток, который создаст свой поток.

Взаимодействие потока якоря с потоком основных полюсов и называется реакцией якоря. Картину распределения потока якоря можно представить на рис. 182.

При холостом ходе генератора ЭДС, наводимая в обмотке якоря, определяется по правилу правой руки. Подключив нагрузку, в якоре появится ток с тем же направлением что и ЭДС. Ток создаст поток, который, взаимодействуя с потоком основных полюсов, создаст результирующий поток. За счет потока якоря набегающий край полюса будет размагничиваться, а сбегающий край полюса намагничиваться, рис. 183. Физическая нейтраль у генератора будет сдвигаться по ходу вращения якоря. Она перпендикулярна результирующему потоку.

Рис. 181 Рис. 182 Рис. 183

Реакция якоря у двигателя противоположна генератору.

Генератор Двигатель

При одинаковом направлении вращения якоря, независимо от режима работы, направление ЭДС в якоре одинаково. В двигательном режиме ток якоря направлен встречно ЭДС, поэтому реакция якоря двигателя противоположна генератору, т.е. набегающий край полюса будет намагничиваться, а сбегающий край полюса размагничиваться.

Рассмотрим намагничивающую силу реакции якоря, магнитную индукцию якоря и результирующую индукцию на полюсном делении.

Для рассмотрения намагничивающей силы реакции якоря введем понятие о линейной нагрузке якоря – ток приходящийся на единицу длины окружности якоря.

Путем введения этой величины можно условно заменить зубчатый якорь гладким, у которого линейная нагрузка равномерно распределена по всей поверхности. У реального якоря ток находится только в пазах, что осложняет расчет.

По закону полного тока следует, что намагничивающая сила по замкнутому контуру равна полному току, который охватывается этим контуром, а полный ток на данной длине определяется линейной нагрузкой.

Поэтому намагничивающая сила реакции якоря- линейный закон.

При ,;,.

Определим закономерность индукции якоря. - линейный закон сохраняется под полюсами, а между полюсами за счет большого сопротивления воздуха кривая индукции имеет провал. (), рис. 184. При холостом ходе индукция

Рис. 184

имеет вид близкий к трапеции.

Результирующая кривая индукции имеет искаженный характер, т. е. набегающий край полюса размагничивается, а сбегающий намагничивается. Щетки установлены на нейтрали. Реакция якоря при этом будет поперечная, рис. 185.

τ

d

Рис.185 Рис. 186 Рис. 187

Если щетки установить вдоль полюсов, реакция якоря будет продольно размагничивающая, рис. 186. Если щетки генератора сдвинуть на дугу () по направлению вращения то реакцию якоря можно разложить по осям, рис. 187

, ,

где: - поперечная ось

- продольная ось.

Поперечная намагничивающая сила искажает магнитный поток, а продольная размагничивает.

Реакция якоря влияет на все характеристики генераторов постоянного тока.

4-5. Генераторы постоянного тока

Генератор постоянного тока преобразует механическую энергию в электрическую. В зависимости от способов соединения обмоток возбуждения с якорем генераторы классифицируются:

1. генератор независимого возбуждения, рис. 188.

2. генераторы с самовозбуждением:

а) генератор параллельного возбуждения, рис. 189.

б) генератор последовательного возбуждения, рис. 190.

в

Рис. 189

Рис. 190

) генератор смешанного возбуждения, рис. 191.

Рис. 188

Рис. 191

Энергетическая диаграмма генератора независимого возбуждения (рис. 192).

- механическая мощность на валу

- электромагнитная мощность

- отдаваемая электрическая мощность

- потери магнитные, механические, электрические, потери в щеточном контакте.

Рис. 192

Разделив уравнение на ток якоря , получим:

или

4-5-1. Электромагнитный момент генератора постоянного тока

Сила, воздействующая на проводник с током равна, рис. 193. Для расчета принимаем индукцию на полюсном делении среднюю величину. Ток во всех проводниках одинаков, индукция средняя, каждый проводник практически пересекает магнитную линию перпендикулярно. Исходя из этого, можно суммарную силу всех проводников сосредоточить в одном проводнике.

, где - число проводников обмотки якоря. Электромагнитный момент

, ,

Рис. 193

заменим ,,,получим,

где:,- поток, тогда

Электромагнитный момент зависит от потока и тока якоря. В генераторном режиме электромагнитный момент является тормозным. Уравнение равновесного состояния моментов запишется , где:

- механический момент на валу генератора

- момент холостого хода

- электромагнитный момент

4-5-2. Генератор независимого возбуждения

Схема включения генератора независимого возбуждения представлена на рис. 194.