Эл. машины. Разделы 1, 2, 3

вкаждой из параллельных ветвей.

Всложно-петлевой обмотке число параллельных ветвей не зависит от числа пар полюсов и всегда больше числа полюсов.

Число параллельных ветвей 2a=2pm (здесь p – число пар полюсов; m – число простых петлевых обмоток, из которых слагается сложно-петлевая обмотка (коэффициент кратности).

4.4 Простая волновая (последовательная) обмотка

Волновая обмотка выполняется в одном направлении, все время поступательно вперед по окружности якоря, и не имеет обратных ходов (рис. 15). Она также характеризуется первым и вторым частичными шагами у1 и у2, результирующим шагом у и шагом по коллектору уК. Если обмотка укладывается в элементарные пазы, то число коллекторных пластин К должно быть равно числу секций обмотки S и числу элементарных пазов ZЭ, т. е.

К=S=ZЭ.

Волновая обмотка называется простой, если в результате однократного обхода коллектора следующий обход по нему начинается с коллекторной пластины, находящейся рядом с исходной. При этом возможны два случая. Если повторный обход коллектора начинается с коллекторной пластины, не доходя до исходной, то такая обмотка называется неперекрещивающейcя, или левоходовой. Если же повторный обход коллектора начинается с коллекторной пластины, лежащей за исходной, то такая обмотка называется перекрещивающеися, или правоходовой.

Рис. 15. Схема простой волновой обмотки

Первый частичный шаг и результирующий шаг простой волновой обмотки определяются так же, как и у простой петлевой обмотки. Они равны:

y1 Z Э b .

2 p

y yК

Шаг по коллектору будет зависеть от того, является ли обмотка левоходовой или правоходовой. При левоходовой обмотке, когда повторный обход коллектора начинается с коллекторной пластины, не доходя до исходной, число пройденных коллекторных пластин будет равно К–1, а при правоходовой обмотке К+1. При одном обходе коллектора будет уложено в пазы якоря число секций, соответствующее числу пар полюсов р, и будет сделано такое же число шагов по коллектору. Отсюда шаг по коллектору определится по формуле:

21

yК K 1 , p

где:

К – число пластин коллектора; р – число пар полюсов.

Результирующий шаг обмотки у равен сумме первого и второго шагов, т.

е.

y=y1+y2

откуда второй частичный шаг обмотки определяется как разность между результирующим и первым шагом

y2=y–y1.

Характерной особенностью волновой обмотки является то, что в ней соединяются последовательно друг с другом сначала все секции, находящиеся под северными полюсами, образуя одну параллельную ветвь, и затем все секции, находящиеся под южными полюсами, образуя вторую параллельную ветвь. Поэтому, независимо от числа пар полюсов, простая волновая обмотка всегда имеет только две параллельные ветви, т. е. 2а=2.

4.5 Сложно-волновая обмотка

Такая обмотка получается из нескольких простых волновых, соединенных между собой параллельно при помощи щеток. Это позволяет получать повышенное напряжение при большой мощности.

Число параллельных ветвей равно удвоенному числу простых волновых обмоток: 2а=2m (здесь m – число простых волновых обмоток, составляющих сложно-волновую).

4.6 Комбинированная (лягушечья) обмотка

Комбинированная (лягушечья) обмотка (рис. 16) представляет собой комбинацию сложно-волновой и петлевой обмоток, имеющих одинаковое число секций. При выполнении комбинированной обмотки в пазы якоря закладывают одновременно две обмотки: петлевую и волновую. Обе обмотки должны иметь одно и то же число витков в секции и параллельных ветвей. Число параллельных ветвей комбинированной обмотки вдвое больше числа полюсов. Поэтому к каждой коллекторной пластине присоединяются четыре проводника.

Рис. 16. Схема комбинированной обмотки

22

Коллекторные пластины равного потенциала связаны между собой соотношением

yК .П yК .В Kp

где:

ук.п – шаг по коллектору петлевой обмотки; ук.в – шаг по коллектору волновой обмотки.

При этом условии сумма э.д.с, наводимой в контуре а-б-в-г, будет равна

нулю.

4.7 Уравнительные соединения

Якорная обмотка состоит из нескольких параллельных ветвей, э.д.с. в которых должны быть одинаковы, однако, в силу некоторого неравенства магнитных потоков полюсов (при условии симметрии обмоток) между параллельными ветвями будут возникать уравнительные токи, даже при отключенной внешней цепи. Уравнительные токи вызывают усиленное искрение под щетками, что может вызвать повреждение коллектора.

Для ликвидации вредных последствий уравнительных токов точки обмотки с теоретически равными потенциалами соединяют проводниками с малым активным сопротивлением – уравнительными соединениями (уравнителями). Токи в уравнительных соединениях, переменные по характеру, создают дополнительное магнитное поле, выравнивающее магнитные потоки отдельных полюсов. Присоединяют уравнители в доступных местах – на коллекторе или на лобовых частях обмотки с противоположной коллектору стороны.

V. Электродвижущая сила якорной обмотки

Величина магнитной индукции в воздушном зазоре между полюсными наконечниками и якорем в различных точках по окружности якоря имеет неодинаковые значения. Наибольшую величину она имеет непосредственно под полюсными наконечниками и, начиная от их краев, быстро падает, а в точках, лежащих на нейтралях, равна нулю. В соответствии с этим и величина э.д.с, наводимой в проводниках обмотки якоря, изменяется от нуля до некоторого амплитудного значения.

23

Распределение магнитного потока под полюсом в воздушном зазоре характеризуется трапецеидальной кривой АВСD (рис. 17). Выразив площадь трапециедальной кривой равновеликим прямоугольником AEFD, основанием которого является полюсное деление τ, получим среднее значение магнитной индукции ВСР. Тогда средняя величина э.д.с., наводимой в активной части одного проводника, по закону электромагнитной индукции будет равна:

EСР BСР l v ,

где EСР – средняя величина э.д.с., В; ВСР – средняя величина магнитной индукции, Тл;

Рис. 17. Распределение магнитного l – средняя длина активной части потока в зазоре под полюсом проводника, м;

v – окружная скорость на поверхности якоря, м/сек;

деление равно πD=2pτ, поэтому v 2 p n .

60

Магнитный поток одного полюса Ф=ВСРlτ, откуда получаем:

Суммарная э.д.с. складывается из величин э.д.с., наводимых в последовательно соединенных проводниках одной параллельной ветви. Число проводников одной параллельной ветви равно N/2a (N – число проводников обмотки, 2а – число параллельных ветвей), поэтому полная э.д.с. якоря равна

Если учесть, что значения p, N, a являются неизменными (так как определяются конструкцией машины), то окончательно можно записать:

E CE nФ , (3)

где CE 60pNa – постоянная э.д.с. МПТ.

24

VI. Магнитная цепь машины постоянного тока

6.1 Общие сведения

Расчет магнитной цепи машины постоянного тока сводится к определению величины магнитодвижущей силы (м.д.с.), необходимой для создания основного магнитного потока в воздушном зазоре.

Магнитный поток, замыкаясь, проходит последовательно следующие основные участки (рис. 18): два воздушных зазора; два зубцовых слоя якоря; сердечник якоря; два сердечника полюсов и магнитную станину (ярмо). Ввиду магнитной симметрии машины расчет магнитной цепи производится только на пару полюсов.

Рис. 18. Магнитная цепь машины с четырьмя полюсами: δ – воздушный зазор; hз – высота зубцового слоя; hа – высота сердечника якоря; La, hп, Lя – длины средней силовой магнитной линии сердечника якоря, полюса и ярма

Основной или полезный магнитный поток, необходимый для наведения заданной э.д.с, определяется по формуле (3):

Ф=Е/СЕn (4)

Основной поток составляет только часть магнитного потока, создаваемого м.д.с. (намагничивающими ампер-витками) полюсов. Небольшая часть потока полюса, называемая потоком рассеяния ФS, замыкается по воздуху и не участвует в создании э.д.с.

Таким образом, полный поток полюса ФП равен сумме основного потока Ф и потока рассеяния ФS:

где kσ=1+ФS/Ф – коэффициент рассеяния полюсов (1,1÷1,25).

На основании закона полного тока можно утверждать, что м.д.с. одной пары полюсов равна

где Fδ, Fз, Fа, Fп, Fя – соответственно м.д.с. воздушного зазора, зубцового слоя, якоря, полюса и ярма.

М.д.с. отдельных участков при условии, что геометрические размеры этих участков заданы, определяют в следующем порядке.

25

1.По заданной э.д.с. находят величину основного магнитного потока по формуле (4).

2.Для данного участка находят магнитную индукцию из выражения Bk=Фk/Sk. При этом учитывают коэффициент рассеяния полюса для магнитного потока ярма и полюса.

3.Определяют напряженность на участках:

а) для воздушного зазора как Hδ=Bδ/μ0 (μ0 – магнитная проницаемость воздушного зазора); б) для остальных участков по кривым намагничивания материала участка

Вk=f(Нk).

4.Подсчитывают результирующую м. д. с. по выражению (6).

5.При заданном числе витков wв определяют ток возбуждения обмотки

Iв=F/wв.

6.2 Характеристика намагничивания машины

Задаваясь различными значениями э.д.с. или потока Ф (например, 0,5; 0,75; 1,0 и 1,25 номинальной э.д.с.), производят определение м.д.с. для каждого значения потока. По данным расчета строят зависимость Ф=f(F) (рис. 19). Эта кривая называется кривой намагничивания машины. Нижняя часть кривой соответствует ненасыщенному состоянию магнитной цепи. В этой части кривой м.д.с. F равна м.д.с. воздушного зазора.

По величине отрезков ab и bc можно судить о степени насыщения машины. Отношение ac/ab=F/Fδ=kμ называется коэффициентом насыщения стали. Обычно в рабочей точке он равен 1,4÷1,8.

VII. Реакция якоря машин постоянного тока

7.1. Понятие о реакции якоря

Воздействие м.д.с. якоря на м.д.с. основных полюсов называется

реакцией якоря.

При работе машины в режиме х.х. ток в обмотке якоря практически

26

отсутствует. Следовательно, при х.х. в машине существует только м.д.с. главных полюсов, создающая магнитный поток Ф. При нагрузке по обмотке якоря протекает ток, возникает м.д.с. якоря, вступающая во взаимодействие с основной м.д.с. Результирующая м.д.с. создает результирующий магнитный поток в машине.

Для выражения м.д.с. обмотки якоря вводится понятие о линейной нагрузке якоря. Для этого зубчатый якорь приводится к гладкому с расчетным воздушным зазором δ' и с равномерно распределенным по окружности якоря слоем проводников.

Линейной нагрузкой якоря называется число ампер-проводников, приходящееся на 1 см длины окружности якоря:

A NI a ,

D

где D – диаметр якоря, см;

Iа – ток в проводнике якоря. Линейная нагрузка у машин малой мощности составляет от 70 до 200 A/см, а у машин большой мощности доходит до 700

A/см.

На рис. 20, а показано основное магнитное поле. Магнитное поле полюсов неподвижно и не зависит от положения щеток на коллекторе. Линия х–х, проходящая через центр окружности якоря перпендикулярно к оси главных полюсов, называется геометрической нейтралью.

При наличии в обмотке якоря тока он вызывает появление магнитных силовых линий у каждого проводника, направление которых определяется по правилу буравчика. На рис. 20, б изображены результирующие магнитные силовые линии проводников якоря (при отсутствии поля главных полюсов). Картина поля якоря получается такой, как будто на поперечной оси главных полюсов находятся полюсы якоря Nя и Sя. Такое магнитное поле якоря и соответственно м. д. с, вызывающая это поле, называются поперечными. Следует заметить, что магнитное поле основных полюсов по величине значительно больше поля якоря.

На рис. 20, в показано результирующее поле ненасыщенной машины при наложении поля якоря на поле полюсов.

Рис. 20. Реакция якоря: а – основное поле; б – поле якоря; в – результирующее поле

27

Под набегающим краем полюса (край полюса, набегающий на якорь) магнитные силовые линии поля полюсов и поля якоря направлены встречно и результирующее поле ослабляется. Под сбегающим краем полюса поле якоря направлено согласно с основным полем и, следовательно, результирующее поле усиливается. Для ненасыщенной стали усиление и ослабление поля происходит в одинаковой степени и величина результирующего поля машины практически остается неизменной. Однако физическая нейтраль х'–х' результирующего поля смещается: для генераторного режима в сторону вращения якоря, а для двигательного режима – в противоположную сторону (физическая нейтраль – это прямая, проходящая через центр окружности якоря и точки на окружности якоря с нулевой магнитной индукцией).

При отсутствии тока в якоре физическая и геометрическая нейтрали совпадают, а при нагрузке они смещаются.

Таким образом, в ненасыщенной машине реакция якоря приводит к искажению поля, но не изменяет его по величине.

Однако магнитная система машины находится в состоянии, близком к насыщению, поэтому размагничивание одной части полюса не компенсируется подмагничиванием другой (см. рис. 21).

Если в режиме х.х. действует лишь м.д.с. обмотки возбуждения Iвwв, то средняя магнитная индукция равна В0. При наличии тока в обмотке якоря, под набегающими краями полюсов м.д.с. якоря действует встречно м.д.с. полюсов, поэтому результирующая н.с. равна разности

подмагничиванием, магнитный поток машины уменьшается, как и э.д.с., индуктируемая в генераторе.

Кроме рассмотренной выше поперечной реакции якоря, различают и реакцию якоря по продольной оси. При сдвиге щеток с геометрической нейтрали на угол 90° м.д.с. якоря вызовет магнитный поток, направленный вдоль основного потока, который может либо усиливать, либо ослаблять основной поток, в зависимости от направлений этих потоков (могут совпадать или быть противоположными).

При сдвиге щеток с геометрической нейтрали на некоторый угол результирующая м.д.с. реакции якоря может быть представлена в виде

28

геометрической суммы м.д.с. поперечной и продольной реакции якоря.

ВДПТ реакция якоря имеет действие, обратное ее действию в ГПТ, рассмотренному выше: при положении щеток на геометрической нейтрали под сбегающими краями полюсов будет происходить ослабление поля, под набегающими – усиление.

Врежиме х.х. и у ГПТ, и у ДПТ сдвиг щеток с геометрической нейтрали в любую сторону приводит к снижению э.д.с. При работе ГПТ с нагрузкой сдвиг щеток по направлению вращения якоря ведет к снижению э.д.с.; сдвиг щеток против направления вращения якоря сначала вызывает некоторый рост э.д.с., а затем, по мере роста угла сдвига – ее существенное уменьшение.

VIII. Коммутация тока в МПТ

8.1. Понятие процесса коммутации

При вращении якоря МПТ коллекторные пластины поочередно проходят под щеткой. При этом переход щетки с одной пластины на другую сопровождается переключением секции обмотки из одной параллельной ветви в другую и изменением величины и направления тока в этой секции.

Процесс изменения тока в секции при переходе ее из одной параллельной ветви в другую называется коммутацией. Секция, в которой происходит коммутация, называется коммутируемой секцией.

Время Т, в течение которого происходит процесс коммутации в секции,

называется периодом коммутации.

В широком смысле слова под коммутацией коллекторных электрических машин понимают совокупность всех явлений, возникающих под щетками и в секциях в момент перехода их из одной параллельной ветви в другую при работе машины под нагрузкой.

Процесс коммутации обычно сопровождается искрообразованием между щеткой и коллектором. Нормальная работа МПТ зависит главным образом от степени искрения коллектора. Правила Регистра РФ предусматривают классификацию степени искрения щеток, которой установлены 5 классов коммутации (степеней искрения) – 1, 1¼, 1½, 2, 3. Судовые МПТ, работающие в продолжительном режиме при номинальной нагрузке, должны работать практически без искрения (класс коммутации 1, 1¼). Основным показателем оценки коммутации является состояние коллектора и щеток. При требуемых перегрузках, реверсировании и пуске машин искрение не должно быть таким, чтобы возникали повреждения щеток или коллекторов машин.

8.2. Причины искрения щеток

Причины искрения щеток подразделяются на три основные группы.

1.Механические причины. Они обусловлены неровностью поверхности коллектора, его эллиптичностью, выступанием слюдяных изолирующих прокладок между пластинами коллектора, вибрацией щеточного устройства, неправильным расположением и неравномерным давлением щеток и т. п.

2.Причины потенциального характера. Испытания показали, что

29

коммутация проходит нормально, если максимальное значение напряжения между коллекторными пластинами находится в пределах 25-35 В для машин большой и средней мощности и 50-60 В для машин малой мощности. Если это напряжение выходит за указанные пределы, то между соседними пластинами появляется искрение и даже возможно возникновение дуги.

3. Причины электромагнитного характера. Они обусловлены величиной

размыкания. Разряд электромагнитной энергии и является причиной искрения. Сильное искрение может перейти в круговой огонь на коллекторе, при

этом возникает электрическая дуга, охватывающая коллектор частично или полностью по его цилиндрической поверхности, что приводит к повреждению щеточно-коллекторного устройства машины.

8.3. Основные способы улучшения коммутации Использование добавочных полюсов. Добавочные полюсы (рис. 22)

устанавливаются в зоне коммутации служат для создания магнитного поля, индуктирующего в коммутируемых секциях якорной обмотки э.д.с., компенсирующей э.д.с. само- и взаимоиндукции в этих же секциях (э.д.с. самоиндукции возникает в коммутируемых секциях в результате изменения тока при коммутации как по величине, так и по направлению, и оказывает негативное влияние на процесс коммутации).

Рис. 22. Расположение, полярность и схема соединения добавочных полюсов

Магнитный поток добавочных полюсов должен быть направлен навстречу поперечному потоку реакции якоря, т.е. компенсировать размагничивающее и искажающее действие поперечной реакции якоря в зоне между главными полюсами. Поэтому полярность добавочного полюса в генераторе должна быть такой же, как и у следующего по направлению вращения основного полюса, а в двигателе – как у предшествующего полюса

(см. рис. 22).

Для обеспечения автоматической компенсации э.д.с. само- и взаимоиндукции и реакции якоря в зоне коммутации при изменении нагрузки обмотка возбуждения добавочных полюсов включается последовательно с обмоткой якоря, т.е. магнитный поток добавочных полюсов пропорционален

30