1. Общие вопросы теории электрических машин

1

1

2

5

2

	3
	4
	8
	5
7	9

6

		6	–
+	–	+
	а		б

Рис. 1.17. Конструктивная схема явнополюсной (а) и неявнополюсной (б) синхронной машины

Скользящие контакты – наиболее слабый узел синхронных машин. Для повышения их надежности применяют бесконтактные машины со встроенными в ротор выпрямителями, с использованием обращенной синхронной или асинхронной машины, работающей в режиме генератора.

1.9. Принцип действия и устройство машины постоянного тока

Принцип действия машины постоянного тока рассмотрим в режимах генератора и двигателя.

Режим генератора. На рис. 1.18, а представлен фрагмент машины постоянного тока, а на рис. 1.18, б, в дано схематическое изображение этой машины в осевом направлении. Основной магнитный поток в нормальных машинах создается обмоткой возбуждения, расположенной на полюсах 1 неподвижной части машины – индукторе.

Магнитный поток проходит от Северного полюса к Южному через подвижную часть машины – якорь 2 (рис. 1.18) и замыкается по ярму машины (на рис. 1.18 ярмо индуктора не показано). Якорь набран из пластин электротехнической стали и имеет форму цилиндра с пазами, в которые уложена обмотка, в рассматриваемом случае состоящая из одного витка.

46

1. Общие вопросы теории электрических машин

		N		N
	1	Fпр			Fпр
		Dя	n	Dя	n
	2
				Fпр
	3		Fпр
	4	S		S

а

б

в

Рис. 1.18. Простейшая машина постоянного тока

Концы витка обмотки соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора 3, число которых в раcсматриваемом случае равно двум. На коллектор наложены две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Предположим, что якорь машины приводится во вращение по часовой стрелке. В проводниках обмотки якоря, перемещающегося в магнитном поле, наводится ЭДС. Направление ЭДС определяют по правилу правой руки. Поскольку направление магнитного потока остается неизменным, ЭДС индуктируется только при вращении якоря и называется ЭДС вращения. Величина индуктируемой в проводнике ЭДС – по закону электромагнитной индукции

e = Bl υ,

(1.35)

где В – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; υ – составляющая скорости перемещения, нормальная к вектору магнитной индукции.

Индуктируемые в проводниках ЭДС по контуру витка складываются, и ЭДС витка

eв = 2 eпр = 2Вl υ.

(1.36)

ЭДС eв является переменной, так как проводники обмотки проходят

попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление ЭДС в них меняется. По форме кривая ЭДС повторяет кривую ин-

47

1. Общие вопросы теории электрических машин

дукции в зазоре машины. Частота ЭДС в двухполюсной машине равна частоте вращения якоря n (об/с):

f = n,

в p −полюсной машине

f = p n.

(1.37)

Если замкнуть виток обмотки якоря на внешнее сопротивление r, то в цепи потечет ток

i =		eв		.	(1.38)
	r
			+ r
	пр

Этот ток будет переменным и будет иметь ту же форму, что и ЭДС (рис. 1.19, а). По внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора: под верхней щеткой всегда находится пластина коллектора, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом. Форма кривой тока и напряжения во внешней цепи показана на рис. 1.19, б.

Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Ток обмотки якоря:

а) создаст на внутреннем и внешнем сопротивлениях падения напряжения, уравновешивающие ЭДС:

eв = 2rпрi + ri = U +U ;

(1.39)

б) выделит на сопротивлениях соответствующие мощности. Уравнение мощностей получим, умножив eB (1.38) на ток

e	i = 2r i2 + r i2	(1.40)
в	пр
или
Pэм = рэл + Р2 ,		(1.41)
где Рэм − электромагнитная мощность генератора;		рэл − мощность потерь на

внутреннем сопротивлении генератора; Р2 − мощность, выделенная на внешнем сопротивлении цепи – полезная мощность.

Из (1.41) следует, что генератор отдает в сеть только часть развивающейся в нем электромагнитной мощности, другая проявляется в виде потерь.

48

1. Общие вопросы теории электрических машин

Eя, Iя

t

а

Eя, Iя

t

б

Рис. 1.19. Форма ЭДС и тока простейшей машины в якоре (а) и во внешней цепи (б)

Проводники обмотки якоря с током i находятся в магнитном поле, на них (по закону Ампера) будут действовать электромагнитные силы

(см. рис. 1.18, б)

Fпр = Bl i ,

(1.42)

направление которых определяют по правилу левой руки. Эти силы создают механический вращающий момент Мэм, который называется электро-

магнитным моментом (см. рис. 1.18, б):

Mэм = FпрDя = Bl Dя i ,

(1.43)

где Dя −диаметр якоря. В режиме генератора этот момент действует про-

тив направления вращения якоря и является тормозным.

Режим двигателя. Рассматриваемая машина постоянного тока может работать в режиме двигателя, если к обмотке якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. На проводники обмотки будут действовать электромагнитные силы (см. рис. 1.18, в) и возникнет электромагнитный момент, определяемые по формулам (1.42) и (1.43). При достаточной величине электромагнитного момента якорь придет во вращение, и машина будет развивать механическую мощность. В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в пере-

49

1. Общие вопросы теории электрических машин

менный ток в обмотке якоря и работает таким образом в качестве механического инвертора тока.

В проводниках обмотки вращающегося якоря по закону электромагнитной индукции наведется ЭДС, определяемая по формуле (1.35) и направленная против тока.

На основании второго правила Кирхгофа записывают уравнение равновесия напряжений:

u = e + rпр i	(1.44)
или
e = u − rпр i .	(1.45)
Умножив (1.45) на ток, получим
ei = u i − r i2	(1.46)
пр
или	(1.47)
Рэм = Р1 − р.

Из (1.47) следует, что в электромагнитную мощность превращается только часть подведенной мощности Р1, а остальная покрывает потери.

Таким образом, независимо от назначения (и даже рода тока) действие электрических машин основано на двух законах: на законе электро-

	магнитной			индукции e = B l υ , сформулированном Фарадеем (или
	e = −w	dΦ		в формулировке Максвелла), и законе Ампера (законе электро-
		dt

магнитных сил), определяющем взаимодействие токов с магнитными потоками. Из сравнения равенств (1.39), (1.44) следует: в двигательном режиме u > е, генераторном – e >u .

Образуемый во внешней цепи пульсирующий по величине ток малопригоден для практических целей. Для получения практически свободных от пульсаций тока и напряжения, а также во избежание возникновения чрезмерно большого напряжения между соседними коллекторными пластинами число пластин коллектора должно быть достаточно большим. Обычно при Uн = 110–220 В

K p = 12–35,

соответственно возрастает и количество секций (витков) обмотки якоря. Пример такой обмотки, уложенной в пазы якоря, показан на рис. 1.20, а.

50

1. Общие вопросы теории электрических машин

Φ NN

Е

N

n

S

Е

а

б

Рис. 1.20. Устройство машины постоянного тока

При вращении якоря в проводниках обмотки индуцируется ЭДС, направление которой показано на рис. 1.19, б. В проводниках, расположенных по одну сторону симметрии, разделяющей полюсы, ЭДС направлена всегда в одну сторону, независимо от угловой скорости. При вращении одни проводники уходят под другой полюс, на их место приходят другие проводники, а в пространстве, под полюсом одной полярности, картина почти неподвижна, только одни проводники сменяются другими.

Следовательно, возможно получить практически неизменную ЭДС от этой части обмотки.

В половине обмотки (в двухполюсной машине) наводится ЭДС одного знака, а в другой – противоположного, как показано на эквивалентной схеме обмотки (рис. 1.20, б). По контуру обмотки якоря ЭДС в ее частях направлены встречно и взаимно уравновешиваются. Вследствие этого при холостом ходе генератора, т. е. при отсутствии внешней нагрузки, по обмотке якоря ток не проходит.

Внешняя цепь соединяется с якорем через щетки, устанавливаемые на геометрической нейтрали.

Для улучшения контакта щетки выполняют в виде прямоугольных графитовых брусков, а скользят они по поверхности коллектора, который собирают из медных пластин, изолированных друг от друга.

51

1. Общие вопросы теории электрических машин

Рассмотрим устройство машины постоянного тока. Магнитное поле в машинах постоянного тока создают полюсы 1, укрепленные на неподвижных магнитопроводящих станинах-ярмах 2 (рис. 1.21). Полюсы изготавливают в виде стальных сердечников, собранных из отдельных листов (только для упрощения технологии), на которых укреплены обмотки возбуждения 3. Полюсы – это электромагниты, обмотки которых питаются постоянным током от якоря самой машины или от независимого источника.

В машинах мощностью выше 0,5 кВт между основными – главными – полюсами размещают добавочные полюсы 20 для улучшения токосъема с коллектора.

Эти полюсы, как и главные, крепят болтами к ярму машины. Ярмо

всовременных машинах обычно выполняют из стали (из стальных труб

вмашинах малой мощности, из листового проката или стального литья).

Чугун вследствие относительно малой магнитной проницаемости не применяют. В машинах постоянного тока массивное ярмо является одновременно и станиной, т. е. той частью, где крепят другие неподвижные части машины и с помощью которой машина крепится к фундаменту или другому основанию.

Вполе полюсов помещают насаженный на вал якорь 4 − стальной цилиндр, набранный из листов электротехнической стали с выштампованными по периферии пазами 5 для укладки обмотки. Сердечники якоря диаметром более 100 см составляют из штампованных сегментов электротехнической стали.

Сегменты набирают на корпус якоря, изготовленного из листового проката, и с помощью втулки соединяют с валом. Листы якоря изолируют друг от друга оксидной пленкой или лаком для уменьшения вихревых токов.

Всердечнике якоря могут быть аксиальные или радиальные каналы

взависимости от выбранной системы вентиляции.

Выступающие с каждой стороны из сердечника якоря лобовые части 7 обмотки имеют вид цилиндрического кольца и своими внутренними поверхностями опираются на обмоткодержатели 8, а по внешней стороне крепятся проволочными бандажами 6. Обмотку соединяют с коллектором 9 − механическим выпрямителем переменной ЭДС, наводимой в якоре,

впостоянное напряжение на выходе генератора (иди инвертором для двигателя).

Коллектор 12 укреплен на валу 10 якоря и состоит из медных пластин 11, изолированных друг от друга миканитовыми пластинами и изоляционными шайбами 12 от нажимного устройства, стягивающего пластины

вцилиндр. Для токосъема с коллектора (скользящий контакт) установлен щеточный аппарат, состоящий из нескольких групп щеткодержателей 13, укрепленных на траверсе 14.

52

				1. Общие вопросы теории электрических машин
10	11	12	13	1	2	3	4	6	7	8
9

А

14

15

17

16

18

19

Вид А

5 20

Рис. 1.21. Машина постоянного тока серии 2П

53

1.Общие вопросы теории электрических машин

Вщеткодержателях помещены щетки (графитные или меднографитные), прижатые к коллектору пружинами. Траверсы укреплены на станине или подшипниковом щите 15 и допускают перемещение всех щеток по дуге коллектора (для установки в нужном положении).

Коллектор и щеточный аппарат являются весьма ответственными узлами машины, от конструкции и качества изготовления которых в большой степени зависят бесперебойная работа машины и надежность электрического контакта между коллектором и щетками.

Вал машины 10 с укрепленными на нем якорем и коллектором вращается в подшипниках 16, установленных в подшипниковых щитах 15. На валу в большинстве машин постоянного тока крепится крыльчатка вентилятора 17 для охлаждения активных частей машины. Воздух поступает

вмашину через жалюзи 19, прогоняется вентилятором через активную часть машины. Нагретый воздух выбрасывается через вентиляционные окна 18.

Одноякорные машины постоянного тока строят мощностью до 10 МВт и напряжением до 1 000 В (для электрифицированных железных дорог – до 1 500 В). Большие напряжения ограничены условиями токосъема. При больших мощностях строят двух и многоякорные машины с общим валом. Машины постоянного тока наиболее сложны в изготовлении, менее надежны в эксплуатации и дорогостоящи. В то же время простота и экономичность регулирования скорости вращения в этих машинах обеспечивают им широкое применение.

Вопросы и задания для самоконтроля

1.Объясните принцип действия трансформатора и его конструктивную схему.

2.К каким последствиям в работе трансформатора приведет замена магнитного сердечника немагнитным?

3.Нарисуйте электромагнитную схему асинхронной машины и объясните (подробно), почему вращается ротор и в какую сторону.

4.Что понимают под скольжением асинхронной машины и в чем заключается физическая сущность скольжения?

5.Перечислите основные части машины постоянного тока, объясните назначение и устройство каждой из них.

6.Объясните устройство и назначение основных частей синхронной машины. В чем достоинство и недостаток синхронных машин сравнительно с асинхронными?

7.Напишите уравнения напряжений для машины в генераторном режиме и двигательном.

54