4.2 Типовые режимы.

Типовые режимы от S1 до S10 установлены специально для применения к двигателям, однако некоторые из них могут быть также применены для характеристики режима работы генераторов, например S1, S2, S10.

4.2.1 Типовой режим s1 - продолжительный режим.

Режим работы электрических машин с постоянной нагрузкой и продолжительностью, достаточной для достижения практически установившегося теплового состояния (рисунок 1). Условное обозначение режима - S1.

Р - нагрузка; Р_э - электрические потери; Θ - температура;  Θ_max - достигнутая максимальная температура; t - время

Рисунок 1.

Номинальные данные машин постоянного тока.

Номинальные данные электрической машины (мощность, напряжение, ток, частота вращения, коэффициент мощности, коэффициент полезного действия и другие величины) характеризуют номинальный режим ее работы. Они относятся к работе машины на высоте до 1000 м над уровнем моря и при температуре газообразной охлаждающей среды до +40°C и охлаждающей воды до +30°С (в стандартах и технических условиях может быть установлена другая температура охлаждающей воды, но не более +33 °С). Номинальные данные машин, спроектированных до утверждения ГОСТ 183-66, относились к температуре газообразной охлаждающей среды +35°С и охлаждающей воды +25° С. Термин "номинальный" может применяться ко всем данным, относящимся к номинальному режиму, независимо от того, указаны эти данные на заводском щитке машины или нет.

Конструктивные формы электрических машин.

Конструктивные формы исполнения электрических машин определяются степенью защиты, способами охлаждения и монтажа, воздействием климатических факторов окружающей среды и категорией мест размещения электрических машин при эксплуатации.

Степени защиты электрических машин для обслуживающего персонала и от попадания внутрь твердых тел и воды регламентированы ГОСТ 17494—72. Условное обозначение степени защиты состоит из двух букв IP (начальные буквы английских слов International protektion) и двух цифр. Первая цифра обозначает степень защиты персонала от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями и от попадания внутрь машины твердых тел; вторая цифра обозначает степень защиты от проникновения воды внутрь машины

Для обозначения степеней защиты электрических машин напряжением до 1000 В применяют цифры.(табл3).

В табл представлены степени защиты, применяемые в современных электрических машинах напряжением до 1000 В.

Цифры в обозначении степеней защиты электрических машин.

Номер цифры	Цифра	Степень защиты
Первая цифра	0	Специальная защита отсутствует
	1	Защита от проникновения твердых тел диаметром более 50 мм, исключено случайное прикосновение к токоведущим или движущимся частям внутри оболочки частью тела, например рукой
	2 3	Защита от проникновения твердых тел диаметром более 12 мм, исключено прикосновение пальцами к опасным частям внутри оболочки Защита от проникновения инструментов, проволоки и т.д. диаметром или толщиной более 2,5 мм
	4	Защита от проникновения твердых тел размером свыше 1 мм
	5	Защита от пыли. Пыль внутрь оболочки не может проникать в количестве, нарушающем работу изделия
Вторая цифра	0	Защита отсутствует
	1	Защита от вертикально падающих капель воды
	2	Защита от капель воды при наклоне оболочки до 15°
	3	Защита от дождя под углом до 60°
	4	Защита от брызг в любом направлении
	5	Защита от водяных струй в любом направлении
	6	Защита от воздействия морских волн
		Защита при кратковременном погружении в воду на определенную глубину Защита при длительном погружении в воду при условиях, определяемых изготовителем

2. Принцип действия машин постоянного тока.

Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя ПД. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС e₁ и e₂, направление которых определяется по правилу правой руки. При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а в нижнем, находящемся под южным полюсом, – к нам. По ходу витка ЭДС складываются,  результирующая  ЭДС е = е₁ – е₂.

Принцип действия двигателя. То же устройство работает в режиме электрического двигателя если к щеткам подвести постоянное напряжение. Под действием напряжения U через щетки, пластины коллектора и виток потечет ток i. По закону электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i.

Устройство машин постоянного тока.

Устройство электрической машины постоянного тока:

1 — коллектор, 2 — щетки, 3 и 9 — сердечник и обмотка якоря, 4 — главный полюс, 5 — катушка обмотки возбуждения, б — станина (корпус) 7 — подшипниковый щит, 8 — вентилятор, 10 — вал.

Способы возбуждения постоянного тока.

Согласно ГОСТов, по способу возбуждения машины постоянного тока классифицируют следующим образом:

а) машины независимого возбуждения, обмотка возбуждения которых питается от постороннего источника электрического тока;

б) машины параллельного возбуждения, обмотка возбуждения которых соединена параллельно с цепью якоря;

в) машины последовательного возбуждения, обмотка возбуждения которых соединена последовательно с цепью якоря;

г) машины смешанного возбуждения, у которых имеются две обмотки возбуждения, одна из которых соединена последовательно с цепью якоря (другая — может быть либо независимой, либо, чаще, параллельной). Если МДС обмоток возбуждения имеют одно направление, то такое их включение называется согласным. Если же МДС обмоток направлены в разные стороны, то включение называется встречным.

Рис. 1. Схемы электрических машин постоянного тока независимого (а), параллельного (6), последовательного (в) и смешанного (г)

возбуждений.

3. Обмотки машин постоянного тока.

В современных машинах постоянного тока якорная обмотка укладывается в пазах на внешней поверхности якоря. Такие обмотки называются барабанными. Основным элементом обмотки якоря является секция. Секция состоит из одного или нескольких витков и присоединяется своими концами к коллекторным пластинам. Между собой секции соединяются последовательно, образуя замкнутую обмотку.

В зависимости от внешнего очертания схемы соединения секций обмотки якоря подразделяются на петлевые и волновые (рис. 6.2).

Построить простую петлевую обмотку Z=12, p=2.

Сложные обмотки.

Сложные обмотки применяются в машинах большой мощности, когда необходимо иметь большое число параллельных ветвей, а также в машинах с тяжелыми условиями коммутации.

Сложные обмотки в свою очередь делятся на одно - и многократно замкнутые.

Сложные обмотки состоят из нескольких простых, соединенных параллельно.

Чтобы изготовлять сложные обмотки, которые применяют в современных электрических машинах, надо не только уметь выполнять те или иные производственные процессы, но и знать теорию обмоток, их схемы, изоляцию и назначение. Успешная подготовка молодых рабочих-обмотчиков в значительной степени зависит от освоения курса специальной технологии.

Чтобы изготовлять сложные обмотки, применяемые в современных электрических машинах, надо не только уметь выполнять те или иные производственные процессы, но и знать теорию обмоток, их схемы, изоляцию и назначение.

Как правило, простые петлевые обмотки и сложные обмотки (петлевые и волновые) имеют уравнительные соединения. Простые волновые и комбинированные обмотки изготовляют без уравнительных соединений. Различают уравнительные соединения первого и второго рода.

4. ЭДС, индуктируемая в обмотке якоря машин постоянного тока.

Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.

Соединим проводники между собой так, чтобы ЭДС в них складывались. Для этого соединяют последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности.

Два проводника, соединенные последовательно, образуют один виток или одну катушку. ЭДС проводников, расположенных в зоне одного полюса, различны по величине. Наибольшая ЭДС индуктируется в проводнике, расположенном под срединой полюса, ЭДС, равная нулю, - в проводнике, расположенном на линии геометрической нейтрали.

Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует. Контактные щетки делят якорную обмотку на две параллельные ветви. В верхней параллельной ветви индуктируется ЭДС одного направления, в нижней параллельной ветви - противоположного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками.

В параллельных ветвях действуют одинаковые ЭДС, направленные встречно друг другу. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях возникают одинаковые токи , через сопротивление R_H протекает ток I_Я. 

ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n2 и магнитному потоку индуктора Ф:

 где С_е - константа. 

Уравнения равновесия ЭДС машин постоянного тока.

Уравнение равновесия ЭДС по второму закону Кирхгофа для цепи якоря генератора записывается в виде

где I_a – ток в обмотке якоря; — сумма сопротивлений участков цепи якоря.

В общем случае

где r_a, r_д, r_с, r_к — сопротивления обмоток якоря, добавочных полюсов, последовательной обмотки возбуждения и компенсационной обмотки.

Поскольку E_a=c_enФ, то уравнение электрического равновесия генератора записывается в виде

Умножив обе части выражения  на ток I_a, получим уравнение мощности генератора

де UI_a= P₂ – полезная мощность, отдаваемая генератором подключенным потребителям; E_aI_a=P_эм – электромагнитная мощность генератора; 

- потери в цепи якоря.