elmash / KrKonsp_ЭлМаш_t-МПТ07

21

Как видно из скоростной характеристики, при малых нагрузках скорость двигателя резко увеличивается. При уменьшении тока происходит

ослабление магнитного потока (до величины потока остаточного намагничивания), что приводит к резкому увеличению скорости, недопустимому для якоря по условиям механической прочности. Происходит так называемый «разнос» машины. По этой же причине этот двигатель не пускают вхолостую.

Основными особенностями сериесных машин является:

1.Работа СДПТ и его пуск при нагрузке на валу менее 25% номинальной недопустимы. По этой причине недопустима ременная передача.

2.Мягкость характеристик, т.е. резкое снижение скорости при увеличении нагрузки. Это способствует устойчивой работе при любой нагрузке.

3.Так как пограничная скорость этих машин стремится к бесконечно большой величине, то режим рекуперации (при ) СДПТ невозможен.

4.Момент пропорционален квадрату тока, что важно при тяжелых условиях пуска и при перегрузках, так как мощность на входе СДПТ растет медленнее - пропорционально току, что важно в транспортных и крановых приводах.

5.Неизменность момента на валу при изменении напряжения СДПТ

М=СмФIя, но Ф=f(Iя) [n=kU; n=k1/Ф]

Два последних свойства делают сериесные машины особенно привлекательными для целей электрической тяги (электровозы, электрокары и т.п.). При движении в точках, удаленных от преобразовательных подстанций, или при питании от аккумуляторных батарей снижение напряжения не сказывается на силе тяги (но сказывается на скорости).

- Процесс изменения тока в секциях при переключении их из одной параллельной ветви в другую называется коммутацией. Секция, в которой происходит коммутация, называется коммутирующей секцией. Время, в течение которого происходит процесс коммутации, называется периодом коммутации Тк. Период коммутации составляет 0,0001…0,01 с и вызывает вторичные явления механического, термического, электрохимического и электромагнитного характера.

Переход щетки с одной пластины на другую при вращении якоря сопровождается переключением секции из одной параллельной ветви в другую и изменением тока в этой секции.

При идеальной (линейной) коммутации (щетки расположены на геометрической нейтрали и в коммутирующей секции в не индуктируются электродвижущие силы, ширина щетки равна коллекторному делению (bщ=bк)). график изменения тока коммутирующей секции от +i = +Ia /2 до –i=–Ia /2 представляет собой прямую линию (рис.4.2,а). Уравнение линейной коммутации имеет вид:

где r1 и r2 – переходные сопротивления между щеткой и сбегающей 1 и набегающей 2 пластинами, i1 и i2 – токи, переходящие в обмотку якоря через пластины 1 и 2:

здесь ik – ток коммутирующей секции. Уравнение (4.1) можно записать в виде:

Плотность тока под щеткой в течение всего периода коммутации остается неизменной (ток пропорционален площади контакта).

В реальных условиях работы (по второму закону Кихргофа) уравнение для коммутирующей секции замкнутой щеткой (основное уравнение

где результирующая реактивная ЭДС eр =eL+ eM (ЭДС самоиндукции eL =- LS dik / dt, ЭДС взаимоиндукци eM =- MS dik / dt), ЭДС вращения eк =2Bкlwsv.

Суммарная ЭДС e= eр+ eк создает в коммутирующей секции добавочный ток коммутации iД=e /(r1+r2), который суммируется с током линейной коммутации, и так как ЭДС е имеет реактивный характер, препятствует изменению тока в коммутирующей секции, ведет к замедленной коммутации При применении добавочных полюсов в случае, когда удается компенсировать влияние реактивной ЭДС, создавая в зоне коммутации магнитное поле, вызывающее такую eк, чтобы eр+ eк=0, получают линейную коммутацию. Для этого в генераторном режиме работы полярность добавочных полюсов должна быть такой же, как у следующих по направлению вращения главных полюсов. Действие добавочных полюсов одинаково при изменении нагрузки от 0 до номинального тока, так как они включены последовательно с обмотками главных полюсов. Если н.с. Fд добавочных полюсов больше требуемой величины (1,15…1,3 Fa), то eк > eр, ток iД направлен встречено току i, поэтому ток в коммутирующей секции достигает нуля раньше времени Тк/2. Коммутация становится ускоренной, что вызывает увеличение плотности тока под набегающим краем щетки и увеличивает опасность возникновения

искрения (рис.4.2,в).

23

2. ОБМОТКИ ЯКОРЕЙ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ И ЭДС ЯКОРЯ

§ 2.1. Основные элементы обмоток

Для работы машины необходимо наличие в ней двух обмоток: обмотки возбуждения(ОВ) и обмотки якоря (ОЯ). Первая служит для создания в машине основного магнитного поля (индуктор), т. е. для возбуждения, а во второй происходит преобразование энергии (якорь). Исключение составляют магнитоэлектрические МПТ, в которых нет ОВ.

Обмотка якоря машины постоянного тока представляет собой замкнутую систему проводников, определенным образом уложенных на сердечнике якоря

и присоединенных к коллектору.

Секция является элементом обмотки якоря, содержит один или несколько витков и присоединяется к двум коллекторным пластинам.

Секция состоит из активных сторон и лобовых частей, соединяющих эти стороны. При вращении якоря в каждой из активных сторон индуктируется ЭДС, а в лобовых же частях секции ЭДС не индуктируется.

Полюсное деление τ – часть поверхности якоря, приходящаяся на один полюс (рис. 2.1), измеряется в метрах или элементарных пазах:

где ZЭ—число элементарных пазов; D—диаметр якоря; 2р—число главных полюсов в машине.

Секцию следует располагать в пазах сердечника якоря так, чтобы, ширина секции была равна или незначительно отличалась от полюсного деления (рис. 2.2). При этом ЭДС активных сторонах секций складываются алгебраически.

Секции укладываются в пазах сердечника якоря МПТ в два слоя. При этом если одна из активных сторон секции находится в нижней части одного паза, то

еедругая сторона находится в верхней части другого паза (см. рис. 1.14).

Элементарный паз образуют верхняя сторона одной секции и нижняя

сторона другой, уложенные в одном пазу. В реальном пазу может быть nЭ

элементарных пазов (рис. 2.3), а обмотка из Z реальных пазов содержит ZЭ = nЭ Z элементарных пазов.

У секции две активные стороны, что соответствует одному элементарному пазу, к каждой коллекторной пластине присоединяется начало одной секции и конец другой, т.е. для якорной обмотки можно записать следующее равенство

24

где S—число секций в обмотке якоря; ZЭ—число элементарных пазов; К— число коллекторных пластин.

Для более удобного и наглядного изображения схем якорных обмоток цилиндрическую поверхность якоря вместе с обмоткой условно развертывают на плоскости, и все соединения проводников изображают прямыми линиями на плоскости чертежа. Выполненная в таком виде схема обмотки называется развернутой.

Взависимости от формы секций и от способа присоединения их к коллектору различают следующие типы якорных обмоток: простая петлевая,

сложнаяпетлевая, простаяволновая, сложнаяволноваяикомбинированная.

§2.2. Простая петлевая обмотка

Впростой петлевой обмотке якоря каждая секция присоединена к двум рядом лежащим коллекторным пластинам. На рис. 2.5 изображена одновитковая, а на рис. 2.6— двухвитковая секция петлевой обмотки. При укладке секций на сердечник якоря начало каждой последующей секции

соединяют с концом предыдущей секции, постепенно перемещаясь при этом по поверхности якоря (и коллектора) так, что за один обход укладывают все секции обмотки. В результате конец последней секции оказывается соединенным с началом первой, т. е. обмотка замыкается.

На рис.2.7 изображена часть простой петлевой обмотки, где показаны шаги обмотки—расстояние между активными сторонами секций по якорю.

Первый частичный шаг у1 обмотки по якорю - кратчайшее расстояние

между активными сторонами одной секции на поверхности якоря. Это расстояние измеряется в элементарных пазах (y1≈τ).

Второй частичный шаг у2 обмотки по якорю - расстояние между активной стороной нижнего слоя первой секции и активной стороной верхнего слоя второй секции.

Результирующий шаг у обмотки по якорю представляет собой расстояние между расположенными в одном слое активными сторонами двух следующих друг за другом секций. Из рис. 2.7, а следует, что

Шаг обмотки ук по коллектору - расстояние между двумя коллекторными пластинами, к которым присоединены начало и конец одной секции (измеряется коллекторными делениями (пластинами)).

Обмотка рис.2.7,а,- правоходовая, так как, укладывая секции этой обмотки, мы перемещаемся вправо по якорю, в отличие от левоходовой (рис.2.7,6).

Для простой петлевой обмотки

у= ± 1; у1 = (ZЭ/2p) ± ε; y2 = y1 ± y = y1 ± 1. (2.3)

25

Здесь знак «плюс» соответствует правоходовой обмотке; ε — величина, меньшая единицы, вычитая или суммируя которую можно получить шаг у1, выраженный целым числом.

Например, при 2р=4 (обмотка правоходовая, секции одновитковые) Z=12; Z=ZЭ. у= ± 1; у1 = (ZЭ/2p) ± ε = 12/4 = 3; y2 = y1— y = 3 — 1 = 2.

Для выполнения обмотки составляют таблицу соединений. В этой таблице (табл. 2.1) горизонтальные линии изображают секции, а наклонные указывают на порядок соединения секций со стороны коллектора. При правильно вычисленных шагах таблица включает в себя все активные стороны верхнего и нижнего слоев обмотки (рис.2.8). Номер паза в.с. определяет номер секции.

Развернутую схему обмотки строят по определенным правилам [1]. 1. (Разметка пазов и полюсов чередующейся полярности (зеркальное отражение, расстояние между полюсами τ, ширина полюса bп=0,8 τ), коллекторных пластин. 2. Первая секция занимает пазы 1 и 1+у1 (4) и присоединяется к пластинам 1 и 2, так чтобы секция была симметричной. 3. Последняя секция (12) замыкает обмотку. 4. Расстояние между щетками τ=К/2р (3). ЭДС щетки зависит от режима работы. 5. Положительная щетка ГПТ – при токе, протекающем во внешнюю цепь. Однополярныещеткисоединяются. 6. Расположениещеткиподцентромполюса.)

§ 2.3. Параллельные ветви обмотки якоря

Схема простой петлевой обмотки состоит из 2a параллельных ветвей. Параллельная ветвь представляет Sa=S/2a последовательно соединенных секций с одинаковым направлением тока.

В простой петлевой обмотке число параллельных ветвей всегда равно

ЭДС секций параллельной ветви складываются Еа= Еs. Sa ЭДС обмотки якоря равна ЭДС параллельной ветви, Еа=EЯ

Ток якорной обмотки равна сумме токов всех ветвей обмотки, IЯ=2 a ia где iа—величина тока одной параллельной ветви.

Для устранения влияния магнитной несимметрии в петлевых обмотках, в которых параллельные ветви расположены под разными полюсами, применяют уравнительные соединения (уравнители) первого рода. Полное число уравнителей Nур=K/a, расстояние между которыми (между равнопотенциальными точками) – потенциальный шаг уур=К/р.

§ 2.4. Сложная петлевая обмотка

Сложная обмотка обычно представляет собой несколько простых петлевых обмоток, уложенных на один якорь, для чего стороны секций и

26

коллекторные пластины как бы раздвинуты для размещения другой обмотки. Это нужно для получения большего числа параллельных ветвей без увеличения числа полюсов. Число параллельных ветвей в сложной петлевой обмотке

где т—коэффициент кратности, определяющий число простых петлевых обмоток, из которых составлена сложная обмотка.

Ширина щеток в машине со сложной петлевой обмоткой принимается такой, чтобы каждая щетка одновременно перекрывала не менее т коллекторных пластин. В этом случае простые обмотки оказываются присоединенными параллельно друг с другом. На рис. 2.12 показана часть сложной петлевой обмотки. Шаг обмотки по коллектору и результирующий шаг по якорю сложной обмотки, по сравнению с этими же параметрами простой петлевой обмотки, увеличился в

m раз

yk = y = m.

Рис. 2.12. Расположение секций сложной петлевой обмотки

у1 = (ZЭ/2p) ± ε; y2 = y1 – y

В сложной петлевой обмотке при 2р=4, состоящей из S=16 секций при т=2

у1 = (ZЭ/2p) ± ε = 16/4–0=4; yk = y = m=2; y2 = y1 – y = 4–2 =2.

Число параллельных ветвей обмотки 2а=2 p m= 4 2=8.

В сложной обмотке для устранения влияния неравномерности распределения напряжения на коллекторе из-за неодинакового контакта со щетками, соединяющими простые обмотки применяют уравнители второго рода, Nур=К/a.

§ 2.9. Условия симметрии обмотки якоря

Обмотка якоря называется симметричной, если ее параллельные ветви обладают одинаковыми электрическими свойствами, т.е. имеют равные сопротивления и в них индуктируются одинаковые по величине ЭДС.

В несимметричной обмотке ток якоря в параллельных ветвях распределяется неравномерно, что влечет за собой перегрузку одних ветвей и недогрузку других. В результате возрастают электрические потери в обмотке якоря, а полезная мощность машины уменьшается.

Условия симметрии обмотки якоря.

1.Каждая пара параллельных ветвей состоит из равного числа секций, т.е. каждой паре параллельных ветвей соответствует целое число секций,

S/a=Ц.ч. (2.6)

2 Секции каждой пары параллельных ветвей занимают равное число пазов

Z,т.е.

3. Каждая пара параллельных ветвей должна занимать одинаковое положение относительно системы полюсов, что может быть соблюдено при условии

27

Для сложной петлевой обмотки 2а = 2pm или а = рт. Подставляя это в

(2.8), получаем 2p/a=2p/pm=2/m=ц.ч. Отсюда следует, что сложная петлевая обмотка может быть симметричной только при т =2.

§ 2.5. Простая волновая обмотка

Простая волновая обмотка получается при последовательном соединении секций, находящихся под разными парами полюсов (рис. 2.14). Концы секций присоединены к коллекторным пластинам, удаленным друг от друга на расстояние ук.= у. За один обход по якорю укладывается столько секций, сколько пар полюсов имеет машина, при этом конец последней секции присоединяют к коллекторной пластине, расположенной рядом с исходной.

Левоходовой называется простая волновая обмотка, если конец последней по обходу секции присоединяется к коллекторной пластине, расположенной влево от исходной (рис.2.14, а), в противном случае - правоходовой (рис.2.14,б). Так как шаг обмотки по коллектору ук охватывает пространство по длине окружности коллектора, соответствующее одной паре полюсов, то, сделав один обход по коллектору, мы перемещаемся на число коллекторных делений, равное ук р, и приходим к пластине, расположенной рядом с исходной. На основании сказанного можно записать ук р = К ± 1, откуда шаг обмотки по коллектору, а следовательно, и результирующий шаг по якорю равны, т. е.

Знак «минус» соответствует левоходовой обмотке.

Рис. 2.14. Схемы простой волновой обмотки: а —левоходовая; б — правоходовая Выполнение правоходовой обмотки связано с дополнительным расходом меди из-за перекрещивания лобовых

Число параллельных ветвей независимо от числа полюсов в машине всегда равно двум. (2а=2).

Секции каждой параллельной ветви обмотки равномерно распределены под всеми полюсами машины. Следует отметить, что в машине обычно устанавливают столько щеток, сколько главных полюсов, тем более что это позволяет уменьшить величину тока, приходящегося на каждую щетку, и уменьшить размеры коллектора.

§ 2.6. Сложная волновая обмотка

Несколько простых волновых обмоток, уложенных на одном якоре,

28

Простые волновые обмотки, образующие сложную, соединяют параллельно друг с другом посредством щеток, ширина которых, как и в случае сложной петлевой обмотки, применяется такой, чтобы каждая щетка одновременно перекрывала не менее т коллекторных пластин. Например, при 2р=4; m =2; обмотка левоходовая, состоящая из 18 одновитковых секций. Шаги обмотки

равны. у1 = (ZЭ/2p) ± ε = 18/4 – 2/4= 4; ук = y = (К ± m)/р= (18-2)/2 = 8;

у2 =у—у1 = 8 – 4 = 4. Число параллельных ветвей в обмотке 2а=2m=4.

§ 2.7. Волновая обмотка с мертвой секцией

Волновая обмотка с мертвой секцией выполняется, если при заданных числах K, p, S волновая обмотка невыполнима. В этом случае количество коллекторных пластин уменьшают на одну, а одну из секций делают «мертвой», т. е. оставляют неприсоединенной к

коллектору.

§ 2.8. Искусственно замкнутая волновая обмотка

Искусственно замкнутая волновая обмотка применяется, если при заданных числах K, Z волновая обмотка по расчету невыполнима. В этом случае применяют искусственно замкнутую волновую обмотку из К секций, а недостающую по расчету секцию и коллекторную пластину заменяют проводником, которым замыкают обмотку. При обходе шаги секций чередуются (один укорачивается). После укладки последней секции ее конец проводником соединяют с началом первой секции.

§2.10. Уравнительные соединения

Даже при соблюдении всех условий симметрии ЭДС параллельных ветвей обмотки якоря в многополюсных машинах могут оказаться неодинаковыми. Одной из причин этого является магнитная несимметрия, в результате которой магнитные потоки одноименных полюсов неодинаковы. Происходит это из-за дефектов, возникающих при изготовлении электрической машины: наличие раковин в отливке станины, некачественная сборка полюсов, неправильная центровка якоря, т. е. его перекос, отчего воздушный зазор под полюсами становится неодинаковым.

Влияние магнитной несимметрии зависит от типа обмотки якоря МПТ.

Вволновых обмотках секции каждой параллельной ветви равномерно распределены под всеми полюсами машины, поэтому магнитная несимметрия здесь не влечет за собой неравенства ЭДС в параллельных ветвях, так как она одинаково влияет на все параллельные ветви обмотки.

Впетлевых же обмотках секции каждой параллельной ветви располагаются под одной парой полюсов, а поэтому в результате магнитной несимметрии ЭДС параллельных ветвей становятся неодинаковыми, что приводит к появлению уравнительных токов. Уравнительные токи, складываясь с током нагрузки, вызывают неравномерную нагрузку параллельных ветвей, что ведет к перегреву обмотки и увеличению электрических потерь. Кроме того, плотность тока под некоторыми щетками увеличивается, превышает допустимые пределы; это вызывает искрение на коллекторе. Величина уравнительного тока не зависит от нагрузки машины. Поэтому уравнительный ток не исчезает даже

врежиме холостого хода, когда Iнагр = 0.

Для уменьшения неравномерной нагрузки щеток в простых петлевых обмотках поступают следующим образом: точки обмотки, потенциалы которых теоретически должны быть одинаковыми, электрически соединяют между собой. В этом случае возникающие из-за магнитной несимметрии в обмотке

29

уравнительные токи замыкаются внутри обмотки без выхода в щетки и соединяющие их шины. Указанные соединения выполняются медными проводами и называются уравнительными соединениями (уравнителями) первого рода. Практически доступными для соединения точками равного потенциала являются: концы секций, присоединяемые к коллекторным

пластинам, или лобовые части обмотки со стороны, обратной коллектору.

Количество точек в обмотке, имеющих одинаковый потенциал, равно числу пар полюсов (р=а). Расстояние между двумя соседними равнопотенциальными точками называется потенциальным шагом уур.

При расположении уравнительных соединений со стороны коллектора потенциальный шаг измеряется числом коллекторных делений yур= К/ a= K/p Полное число уравнительных соединений первого рода, которое можно применить в обмотке, равно Nур=К/a. (2.10) Полное количество уравнительных соединений применяют только в машинах большой мощности. В целях экономии меди и упрощения конструкции машины обычно применяют неполное число уравнителей. Например, в четырехполюсных машинах малой мощности делают три-четыре уравнительных соединения. Для выполнения уравнительных соединений применяют медные провода с сечением, равным 1/4— 1/2 сечения провода

обмотки якоря.

В сложных петлевых и волновых обмотках простые обмотки,

образующие сложную, соединены параллельно. Их параллельное включение осуществляется на коллекторе через щеточный контакт. Однако обеспечить одинаковый контакт щеток на коллекторе с каждой простой обмоткой практически невозможно, поэтому ток между обмотками распределяется неодинаково, что нарушает равномерное распределение потенциала по коллектору и может вызвать искрение на коллекторе. Для устранения этого нежелательного явления применяют уравнительные соединения второго рода,

посредством которых простые обмотки электрически соединяют между собой в точках равного потенциала.

Т.о., если уравнители первого рода выравнивают несимметрию магнитной системы машины, то уравнители второго рода устраняют неравномерность в распределении напряжения по коллектору. Полное число уравнителей определяется выражением (2.10). Однако из соображений экономии меди; уравнители второго рода выполняются в уменьшенном числе.

В сложной петлевой обмотке уравнители 2 рода выполняются, как это показано на рис. 2.23. С целью обеспечения равномерного распределения напряжения между пластинами в обмотке посредством уравнителей второго рода середину секции со стороны, противоположной коллектору, соединяют с промежуточной пластиной 2.

Следует отметить, что выполнение таких уравнительных соединений связано с трудностями, так как они соединяют точки обмотки, расположенные по обе стороны якоря, и их приходится

протягивать через отверстия между валом и сердечником якоря.

Если в сложных волновых обмотках применяются лишь уравнители второго рода, то в сложных петлевых обмотках необходимо наличие уравнительных соединений, как первого, так и второго рода.

§ 2.11. Комбинированная обмотка

Комбинированная (лягушечья) обмотка представляет