Электрические машины конспект лекций
..pdf
Рис. 20.7. Устройство щеткодержаталей машин: à — средней мощности; á —малой мощности: 1 — щетка; 2 — обойма; 3 — пружина; 4 — зажимы для крепления к щеточному пальцу; 5 — щеточный канатик; 6 — нажимной палец; 7 — колпак, 8 — изоляционная втулка; 9 — подшипниковый щит; 10 — зажим для выводного проводника
ВОПРОСЫ
20.2.1. Почему сердечник якоря выполняется из тонких, изолированных друг от друга листов электротехнической
стали, а станина машины — сплошной?
20.2.2. Каково назначение вентилятора в машине постоянного тока?
20.2.3. Каково назначение коллектора в генераторе и двигателе?
20.2.4. Почему станину машины делают из стали?
20.3. Принцип действия генератора постоянного тока
Рассмотрим работу простейшего генератора постоянного тока (рис. 20.9) с одним витком на якоре и с коллектором из одной пары коллекторных пластин. При вращении якоря генератора
231
с помощью первичного двигателя в проводниках витка 1 будет индуктироваться электродвижущая сила, направление которой
определится правилом правой
руки. Изменение этой ЭДС во времени (за один оборот якоря) показано на рис. 20.10, à (предполагаем распределение маг-
нитной индукции под полюсом синусоидальным). Поскольку виток все время проходит под разноименными полюсами, ЭДС будет переменной по вели- чине и направлению.
Однако если концы витка присоединить к коллекторным пластинам, по которым скользят щетки, то напряжение на щетках будет уже постоянным по направлению, но пульсирующим (рис. 20.10, á). Это объясняется тем, что при любом положении якоря и коллектора левая щетка A всегда будет соединена с проводником, находящимся под южным полюсом, а правая щетка B — с проводником, находящимся под северным полюсом. Устранение пульсации выпрямленного напряжения достигается
Рис. 20.10. Кривые выпрямленного напряжения
232
автоматически по мере увеличения числа последовательно соединенных витков в обмотке якоря.
Действительно, если расположить на якоре симметрично 2-й виток (см. рис. 20.9), то напряжение u2 в этом витке будет сдвинуто относительно напряжения u1 1-го витка на четверть периода (рис. 20.10, á). При последовательном соединении обоих витков кривая суммарного напряжения (u2 u1 ) будет также пульсирующей, но величина пульсаций будет уже значительно меньше. При достаточно большом числе последовательно соединенных витков пульсации практически исчезают. Максимальное значение пульсаций E 0,5 E max E min также зави-
сит и от числа коллекторных пластин K.
K |
2 |
4 |
8 |
10 |
20 |
40 |
E% |
100 |
17,2 |
4,0 |
2,5 |
0,62 |
0,16 |
Значения E приведены в процентах от теоретического среднего значения ЭДС Eà (20.3), ò. å.
E % 0,5 E max E min 100.
E a
Кроме того, кривая распределения магнитной индукции под полюсом в машинах постоянного тока не синусоидальна, а близка к прямоугольнику. Это также способствует сглаживанию пульсаций напряжения.
ВОПРОСЫ
20.3.1. Какой ток протекает по проводникам обмотки якоря при работе генератора под нагрузкой?
а) пульсирующий; б) постоянный; в) переменный.
20.3.2. Зависит ли амплитуда кривых на рис. 20.10, à è 20.10, á от скорости вращения якоря?
а) зависит; б) не зависит.
233
20.4. Якорные обмотки машин постоянного тока
Обмотки якорей машин постоянного тока состоят из ряда секций (катушек), соединенных в определенном порядке друг с другом и с коллекторными пластинами. Секции состоят (каждая) из одного или нескольких витков и закладываются в пазы сердечника якоря в два слоя (одна сторона секции в нижнем слое, другая — в верхнем). Концы секции присоединяются к коллекторным пластинам.
Якорные обмотки делятся на две основные группы: петлевые и волновые обмотки. Секция петлевой обмотки (рис. 20.11, à) по форме напоминает петлю, концы секции присоединяются к соседним коллекторным пластинам. У секции волновой обмотки (рис. 20.11, á) концы разведены врозь и присоединены к коллекторным пластинам, значительно удаленным друг от друга. Это придает секции сходство с волной.
Рис. 20.11. Секции: à — петлевой; á — волновой обмотки
Развернутые схемы якорных обмоток в целом даны на рис. 20.12. Как видно из схем, якорные обмотки замкнуты сами на себя и состоят из нескольких параллельных ветвей.
Концы и начала параллельных ветвей обмотки сходятся на щетках (плюсовой и минусовой) и таким образом при вращении якоря секции непрерывно переходят из одной параллельной ветви в другую.
Число параллельных ветвей определяется типом обмотки. У петлевых обмоток число параллельных ветвей 2a равно числу полюсов машины 2p:
234
2a 2 p.
У волновой обмотки, вне зависимости от числа полюсов,
2a 2.
Порядок укладки секций в пазы якоря и присоединения их к коллектору определяется, как и в обмотках переменного тока, шагами обмотки. В обмотках постоянного тока таких шагов че- тыре (см. рис. 20.11):
1.Первый частичный шаг y1 — расстояние между начальной
èконечной сторонами одной секции. Этот шаг, как и другие шаги (кроме шага по коллектору), измеряется числом пазовых делений или, иными словами, числом пропущенных зубцов. В целях максимального использования магнитного потока полюса первый частичный шаг принимается приблизительно равным полюсному делению:
y1 .
2.Второй частичный шаг y2 — расстояние между конечной стороной предыдущей секции и начальной стороной последующей (в порядке обхода обмотки) секции.
3.Результирующий шаг y — расстояние между начальными сторонами секций, следующих друг за другом по схеме обмотки.
Результирующий шаг
y y1 y2 .
(При этом для петлевой обмотки y2 принимается отрицательным, для волновой — положительным).
4. Шаг по коллектору yê — расстояние между коллекторными пластинами, к которым присоединяются концы секции, измеренное числом коллекторных делений или числом пропущенных изоляционных промежутков между пластинами. Под коллекторным делением понимается расстояние между осями соседних коллекторных пластин.
Поскольку ток на одну параллельную ветвь якорной обмотки ограничен величиной порядка 300 A по условиям допустимых размеров сечения провода, сечения паза и т. д., то очевидно, что волновые обмотки будут пригодными для машин небольшой мощности (до 100 кВт).
235
Рис. 20.12. Развернутые схемы: à — петлевой; á — волновой обмотки
Для машин больших мощностей требуется уже большее число параллельных ветвей в якоре, и, следовательно, в этом случае используются петлевые обмотки.
236
ВОПРОСЫ
20.4.1. Чему равны шаги петлевой обмотки, показанной на
ðèñ. 20.12, à? |
|
|
|
|
20.4.2. ×åìó |
равны |
øàãè |
волновой |
обмотки |
(ñì. ðèñ. 20.12, á)? |
|
|
|
|
20.4.3. Чему равен ток, проходящий через одну щетку петлевой обмотки (рис. 20.12, a), если ток параллельной ветви составляет 50 A?
à) 50 A;
á) 100 A;
â) 25 A.
20.5. Электродвижущая сила якорной обмотки машины постоянного тока
Предположим, что в какой-то момент времени один из витков якорной обмотки занимает относительно полюсов положение, показанное на рис. 20.13.
Тогда мгновенное значе- ние ЭДС в одной стороне витка (в одном проводнике)
e Blv,
E ïð Bñð lv. |
(20.1) |
Поскольку магнитная индукция под полюсом неодинакова, то среднее значение ЭДС проводника определяется средним значением магнитной индукции на протяжении полюс-
ного деления.
Линейная скорость движе- Рис. 20.13. Определение ЭДС якоря
ния проводника относительно магнитного поля (м/с)
v Dà n 2 p n, 60 60
237
ãäå Dà — диаметр якоря, м;
n — число оборотов якоря в минуту.
Подставляя это значение скорости в (20.1), получим
E ïð 2 p Bñð l n. 60
Произведение Bñð l является магнитным потоком одного полюса Ф, и ЭДС проводника
E ïð 2 p n. 60
Принимая общее число проводников якорной обмотки равным N, а число параллельных ветвей — 2a, получим число последовательно соединенных проводников в одной ветви, равное
N . Тогда ЭДС якоря 2a
E à |
N |
E ïð |
pN |
n. |
|
||||
2a |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
60a |
|
|||||
Постоянную для данной машины |
pN |
величину назовем ко- |
|||||||
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
60a |
|
||
эффициентом Cå ÝÄÑ: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C e |
pN |
|
(20.2) |
|||||
|
60a |
||||||||
|
|
|
|
||||||
и получим выражение: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E à C å n. |
(20.3) |
||||||||
ВОПРОСЫ
20.5.1. Сколько полюсов у машины с волновой обмоткой, если E a 204 B, 0,0146 Âá, n 1000 îá/ìèí è N 420?
а) 2 полюса; б) 4 полюса.
20.5.2. Одинаковые ли ЭДС дает якорь четырехполюсного генератора при волновой и петлевой обмотках? Общее число проводников якоря, магнитный поток и скорость якоря одинаковы в обоих случаях.
а) одинаковые; б) ЭДС волновой обмотки в два раза меньше;
в) ЭДС волновой обмотки в два раза больше.
Лекция 21
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА
21.1. Режим холостого хода
Магнитный поток при холостом ходе в машине создается только МДС Fâ обмотки возбуждения. В этом случае магнитный поток Фâ при симметричном воздушном зазоре между якорем и сердечником главного полюса распределяется симметрично относительно продольной оси машины (рис. 21.1, à).
Рис. 21.1. Картины магнитного поля машины постоянного тока, создаваемые: à — обмоткой возбуждения; á — обмоткой якоря; â — результирующего поля
Зависимость магнитного потока возбуждения Фâ îò ÌÄÑ Fâ (магнитная характеристика — см. рис. 21.2, à) для машин постоянного тока подобна магнитной характеристике для синхронных
239
машин. Однако при проектировании машин постоянного тока допускают большие индукции на участках магнитной цепи (в зубцах, якоре, станине и полюсах), чем в синхронных машинах, вследствие чего для них коэффициент насыщения
k íàñ F ab 1,2–2. Расчет магнитной цепи машины постоян-
F ac
ного тока производят так же, как и для машин переменного тока.
21.2. Реакция якоря машины постоянного тока
При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, вследствие чего возникает МДС якоря. Воздействие МДС якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Для упрощения анализа явления реакции якоря будем пренебрегать насыщением магнитной цепи машины и считать, что МДС Fâ обмотки возбуждения и МДС Faq обмотки якоря расходуются на преодоление магнитными потоками воздушного зазора. В этом случае вместо указанных МДС можно рассматривать соответствующие потоки: возбуждения Фâ и реакции якоря Фaq.
Магнитный поток Фaq, созданный МДС якоря Faq, в двухполюсной машине при установке щеток на геометрической нейтрали направлен по поперечной оси машины (рис. 21.2, á), поэтому магнитное поле якоря называют поперечным.
В результате действия реакции якоря симметричное распределение магнитного поля машины относительно оси главных полюсов искажается, и результирующее поле оказывается поэтому смещенным к одному из краев главных полюсов (ðèñ. 21.1, â). При этом физическая нейтраль 0-0 (линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали 0-0 на некоторый угол .
В генераторах (Г) физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря; в двигателях (Д) — против направления вращения.
Чтобы построить кривую Bðåç f x распределения резуль-
тирующей индукции вдоль окружности якоря, применим метод суперпозиции. Его можно использовать, если пренебречь насыщением магнитной цепи машины и считать, что МДС Fâ è Faq
240