Электромашинные устройства постоянного тока

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Общие сведения и устройство электрических машин постоянного тока

Электрическая машина состоит из неподвижной части — статора и вращающейся — ротора. В машинах постоянного тока ротор включает в себя якорь (обмотку с сердечником) и коллектор, служащий для выпрямления тока.

Рассмотрим отличительные особенности электрических машин постоянного и переменного тока [43]. Работа электрической машины переменного тока (рис. 1.1, я) в качестве генератора заключается в следующем: при вращении рамки в постоянном

Принцип действия электрических машин

Рис. 1.1. Принцип действия электрических машин: а — пременного тока; б — постоянного тока

магнитом поле в проводниках аЬ и сс/наводится электродвижущая сила (ЭДС), направление которой определяется по правилу правой руки. Ток по внешней цепи направлен от кольца 7 к кольцу 2. При повороте рамки на 180° проводники аЬ и сс! меняются местами, в результате этого изменяется направление тока во внешней

цепи. Таким образом, в контуре действует переменная ЭДС и течет переменный ток, дважды изменяющий свое направление за один поворот рамки.

При синусоидальном распределении индукции в зазоре и постоянной частоте вращения рамки ЭДС во времени изменяется синусоидально. При этом в рамке наводится ЭДС частотой f = pn/60, где р — число пар полюсов машины; п — частота вращения рамки.

Для преобразования ЭДС применяют коллектор, в простейшем случае представляющий собой два полукольца. Щетки на коллекторе устанавливаются так, чтобы переход каждой из щеток с одной пластины на другую происходил в тот момент, когда наводимая в рамке ЭДС равна нулю (рис. 1.1, б). В этом случае в рамке abed наводится переменная ЭДС, но в каждой из щеток наводится ЭДС только одного знака. Например, щетка А, касаясь пластины /, имеет положительный потенциал, так как в ней наводится ЭДС от проводника ab, находящегося под северным полюсом. При повороте рамки на 180° щетка Л соприкасается с пластиной 2, но по-прежнему имеет положительный потенциал, так как в ней наводится ЭДС от проводника cd, заменившего проводник ab под северным полюсом. Проведя аналогичное рассуждение, можно видеть, что щетка В имеет всегда только отрицательный потенциал. Таким образом, во внешнем участке цепи действует пульсирующая ЭДС (рис. 1.2, а). При увеличении числа витков и коллекторных пластин пульсация ЭДС уменьшается (рис. 1.2, б).

Форма выпрямленной ЭДС на щетках

Рис. 1.2. Форма выпрямленной ЭДС на щетках: а — при одном витке и паре коллекторных пластин; б — при двух витках и четырех коллекторных пластинах

При восьми коллекторных пластинах, приходящихся на каждый полюс, пульсация напряжения на щетках не превышает 1% от среднего значения, поэтому ток, протекающий во внешней цепи, можно считать практически постоянным.

Устройство электрических машин постоянного тока [43]. На рис. 1.3 показано устройство микромашины постоянного тока закрытого исполнения. Статор такой машины состоит из станины /, выполняемой из цельнотянутой стальной трубы. Станина служит основанием для крепления неподвижных частей, а также является одним из участков в магнитной цепи машины. К внутренней поверхности станины крепятся главные полюсы, набранные из листовой стали толщиной 0,5 мм.

Изображение электрической машины постоянного тока малой мощности

Рис. 1.3. Изображение электрической машины постоянного тока малой мощности

Главные полюсы состоят из сердечников 2 и обмоток возбуждения 3. Сердечники имеют полюсные наконечники 4, которые обеспечивают нужное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре. Катушки главных полюсов соединяются, образуя обмотку возбуждения так, чтобы при прохождении тока полярность полюсов чередовалась. Иногда вместо электромагнитов для возбуждения используют постоянные магниты. В машинах мощностью более 1000 Вт между главными устанавливают добавочные полюсы, которые служат для улучшения коммутации.

Якорь 5 состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, покрытых лаком для уменьшения вихревых токов, возникающих при перемагничивании якоря во время его вращения в магнитном поле. В изолированные пазы цилиндрической поверхности сердечника якоря укладывают обмотку б, которую закрепляют в пазах с помощью гетинаксовых или деревянных клиньев. Выступающие за сердечник части обмотки укрепляют на якоре с помощью специальных бандажей. Концы обмотки якоря присоединяют к пластинам коллектора 7. Коллектор представляет собой цилиндрическое тело, состоящее из отдельных медных пластин. Коллекторные пластины тщательно изолируются друг от друга миканитовыми манжетами. Коллекторная пластина вместе с изоляцией между пластинами образует коллекторное деление. Соединение секций обмотки с коллекторными пластинами производят с помощью специальных хомутиков, надеваемых на концы секций и впаиваемых в концы коллекторных пластин. Коллектор так же, как и сердечник якоря, жестко закрепляют на валу 9 с насаженными на нем подшипниками 8.

Внешнюю цепь машины присоединяют к коллектору посредством графитовых, электрографитизированных или метал-лографитовых щеток 11, которые помещаются в обоймах щеткодержателей и прижимаются к коллектору пружинами. Щеткодержатели монтируют на переднем подшипниковом щите 10. Передний и задний щиты крепят болтами к станине. В расточки щитов помещают шариковые или роликовые подшипники.

Обмотки якоря. Обмотки якоря электрических машин постоянного тока делят на петлевые (простые и сложные), смешанные и специального назначения. Простые обмотки образуют только одну замкнутую на себя систему проводников, сложные — одну или несколько таких систем [431.

Основным элементом обмотки является секция. Секцией называют часть обмотки якоря, состоящую из одного, двух витков и более и находящуюся между двумя следующими друг за другом по схеме обмотки коллекторными делениями. Секции обмотки в определенном порядке укладывают в пазах якоря и присоединяют к коллектору. Те части секции, которые расположены в пазах, называют активными сторонами, вне пазов — лобовыми частями. В машинах средней и большой мощности секции укладывают в пазах сердечника якоря в два слоя. Причем если одну активную сторону располагают в верхнем слое одного паза, то другую — в нижнем слое другого паза, отстоящего от первого на расстоянии, точно или приблизительно равном полюсному делению. В этом случае в проводниках наводятся ЭДС разных знаков.

Для того чтобы правильно соединить секции между собой и с коллекторными пластинами, необходимо знать шаги обмотки по якорю и коллектору. В электрических машинах средней и большой мощности шаги обмотки по якорю измеряют числом элементарных пазов, шаги по коллектору — числом коллекторных пластин. Под элементарным пазом понимают часть реального паза с двумя активными сторонами, расположенными одна над другой и принадлежащими разным секциям (рис. 1.4). Один элементарный паз соответствует одной секции или одному делению коллектора, т. е. гэ = я = к, где гэ —число элементарных пазов; 5 — число секций; к — число коллекторных пластин. В микромашинах число реальных пазов г = гэ-

гэ = з

Реальные и элементарные

Рис. 1.4. Реальные и элементарные

пазы якоря

На рис. 1.5 показаны схемы соединения секций петлевой и волновой обмоток якоря с обозначением шагов обмотки.

Схемы соединений обмоток якоря

Рис. 1.5. Схемы соединений обмоток якоря: а — петлевой; б — волновой

Различают следующие шаги обмотки: у — первый шаг по якорю, равный расстоянию между первой и второй активными сторонами одной и той же секции; у2 второй шаг по якорю, равный расстоянию между второй активной стороной любой секции и первой активной стороной следующей последовательно соединенной с ней секции; у — результирующий шаг по якорю, равный расстоянию между соответствующими активными сторонами двух секций, следующих друг за другом по схеме обмотки; ук шаг по коллектору, равный расстоянию между делениями коллектора, к которым присоединена секция.

Для правильного выполнения обмотки шаги у и ук должны находиться во взаимном соответствии (шаг обмотки по якорю не может отставать от шага по коллектору или опережать его), т. е.у = ук.

Обмотка состоит из участков, в пределах каждого из которых ЭДС действует в одном направлении. Каждый такой участок называют ветвью обмотки. Каждая ветвь обмотки занимает часть окружности якоря, соответствующую одному полюсу. Такую часть называют полюсным шагом (полюсным делением) т = пЭ/(2р), где О — диаметр якоря. В двух находящихся рядом ветвях ЭДС направлены встречно и их сумма при обходе всей обмотки равна нулю, т. е. ЭДС внутри обмотки взаимно уравновешиваются. Такие обмотки называют уравновешенными (симметричными).

Щетки устанавливают на коллекторе таким образом, чтобы разность потенциала между ними бала наибольшей. Для этого секции, замыкаемые щетками накоротко, должны располагаться на геометрических нейтралях — линиях, проходящих посередине между соседними полюсами. Щетки одинаковой полярности соединяют параллельно и выводят на щиток машины. Напряжение на зажимах обмотки равно ЭДС только одной ветви, а ток, текущий по внешней цепи, — сумме токов отдельных ветвей.

ЭДС обмотки якоря. Мгновенное значение ЭДС одного проводника определяется из выражения

е = ЫВ, (1.1)

где / — активная длина проводника, м; V — скорость движения проводника, м/с; В — магнитная индукция, Вб/м2 (Тл).

Скорость движения проводника

п

60’

V = лЦ,

где Д, диаметр якоря; п — скорость вращения якоря, об/мин. Магнитная индукция

в-*, где Ф —магнитный поток; ? — площадь полюса.

В электрических машинах при определении ЭДС обмотки якоря используются скорость вращения п и магнитный поток Ф, следовательно,

Еа — СепФ. (1.2)

Здесь Се постоянный конструктивный коэффициент, определяемый по выражению

а 60

где ТУ — количество проводников обмотки якоря; р — число пар полюсов; а — число пар параллельных ветвей.

Если ширина секции меньше полюсного деления (у[ < т), то

г=^, (1.3)

магнитный поток, пронизывающий секцию, а следовательно, и ЭДС уменьшаются. Такое же влияние на магнитный поток и ЭДС оказывает сдвиг щеток с геометрической нейтрали.

Характеристика холостого хода генератора (статическая характеристика). Характеристика холостого хода показывает зависимость напряжения генератора от тока возбуждения /в при отсутствии

тока нагрузки /н и постоянной номинальной скорости вращения Лном , Т. е. ит =/(/в) при /н = 0 И п = «ном = СОПвІ (рИС. 1.6).

Опыт следует начинать с тока возбуждения /в= 0, при этом напряжение на зажимах генератора будет определяться ЭДС от магнитного потока остаточного намагничивания (отрезок ОС). Затем доводят ихх до (1,2-1,25) ІІН0М и идут в обратном порядке, доводя ток возбуждения до нуля.

Таким образом, получаем восходящую и нисходящую ветви ха- /

рактеристики, которые не сов- Рис , 6 Характеристика ХОЛОСТоГО падают в результате гистерезиса. хода

Для практических целей используется кривая, проведенная между восходящей и нисходящей ветвями.

При холостом ходе ток якоря 1а равен нулю, поэтому характеристика холостого хода является кривой намагничивания машины:

<3>xx=/(Fo),

где магнитодвижущая сила (МДС) F0= /BwB (wB — количество витков обмотки возбуждения).

Действительно, при п = const

Uxx Еа СепФхх = Фхх, a Fo = /в.

В начальной части (0,55—0,6)ФНОМ эта характеристика прямолинейна, так как при малых значениях потока Ф сталь машины слабо насыщена и МДС практически затрачивается на проведение потока только через воздушный зазор между полюсами и якорем, так как Ф = IBwB/RM, а магнитное сопротивление RM = l/iS * const.

По мере увеличения потока (индукции) все большая часть МДС тратится на проведение потока по стали. При этом происходит насыщение стали магнитопровода, а магнитное сопротивление RM этих участков увеличивается. Поэтому кривая намагничивания получает все больший наклон к оси абсцисс. Точка N, соответствующая номинальному напряжению UHOM, обычно лежит на колене кривой (перегибе), так как при работе машины на прямолинейной части кривой напряжение генератора неустойчиво, а при работе на насыщенной части кривой ограничивается возможность регулирования напряжения.

Площадь, ограниченная восходящей и нисходящей ветвями, дает потери в стали машины на перемагничивание — гистерезис. Таким образом, по характеристике холостого хода можно судить о магнитных свойствах машины.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >