Гашение поля мало сказывается на характере переходного процесса нарастания тока якоря при коротких замыканиях, так как этот ток достигает максимального значения Iуд примерно через полпериода (при частоте 50Гц через 0,01 с), а за это время защита не успевает сработать. Оно лишь уменьшает время, в течение которого по обмотке якоря проходит ток короткого замыкания и, следовательно, снижает вероятность повреждения машины этим током.

Резкие изменения нагрузки. При резких изменениях нагрузки синхронной машины, работающей параллельно с сетью, возникают колебания ротора около установившегося значения угла θ, называемые качаниями. Допустим, что машина работает при некоторой нагрузке и развивает электромагнитный момент М1 = Мвн1, соответствующий углу θ1 (рис. 1.60). Если резко увеличить внешний момент, приложенный к валу ротора, до величины Мвн2, при которой возрастает отдаваемая машиной электрическая (в генераторе) или механическая (в двигателе) мощность, то угол θ будет постепенно увеличиваться до величины θ2, соответствующей новому значению электромагнитного момента М2 = Мвн2. Однако из-за инерции ротора угол θ, увеличиваясь, достигнет значения θ3 > θ2, а затем под действием синхронизирующего момента начнет уменьшаться до величины θ4 < θ2. В результате возникают колебания угла θ вокруг установившегося значения θ2, которые сопровождаются колебаниями угловой скорости вращения ротора (качаниями). Опасность таких качаний заключается в том, что из-за инерции ротора угол θ может существенно превзойти 90°, и машина выпадет из синхронизма.

Частота собственных колебаний синхронных машин невелика (0,5–2,0 Гц), что объясняется большим моментом инерции ротора. Так как изменения угла θ сопровождаются изменениями мощности машины и тока якоря, на наличие колебаний в машине указывают колебания стрелок приборов (амперметра и вольтметра), включенных в цепь якоря. Собственные колебания в синхронных машинах наблюдаются не только при резких изменениях нагрузок, но и в стационарных режимах, так как у машин, работающих параллельно с сетью, всегда имеются небольшие возмущения. Особенно часто такие колебания возникают при холостом ходе, когда на валу нет внешнего момента.

Рис. 1.60 – Угловая характеристика синхронного генератора при качаниях ротора

Уменьшения амплитуды качаний и ускорения их затухания достигают применением на роторе короткозамкнутой обмотки, называемой демпферной или успокоительной. Успокоительное действие демпферной обмотки при качаниях объясняется тем, что в ее стержнях при изменении частоты вращения ротора индуктируется э. д. с. и по ним проходит ток, что сопровождается потерей энергии. Эта обмотка получила свое название потому, что ее действие подобно действию механического демпфера, потери на трение в котором успокаивают колебания механизма (например, сельсина).

Колебания ротора синхронной машины могут быть вынужденными, если на него действует периодически изменяющийся внешний момент. Такие колебания образуются в синхронных генераторах, приводимых во вращение от поршневых машин, например от двигателей внутреннего сгорания, а также в синхронных двигателях, служащих для привода поршневых компрессоров. Поэтому для уменьшения неравномерности вращающего момента двигатели внутреннего сгорания, предназначенные для вращения синхронных генераторов, и поршневые компрессоры часто снабжают маховиками. Генераторы и электродвигатели должны в этом случае иметь достаточно мощную демпферную обмотку.

1.19 Несимметричные режимы работы синхронных генераторов

Работа генератора при несимметричной нагрузке. Наличие однофазных нагрузок (осветительной сети, тяговых трансформаторов электрифицированных железных дорог и т.п.) вызывает несимметрию фазных токов синхронных генераторов. Анализ несимметричных режимов, как и для трехфазных трансформаторов, производится методом симметричных составляющих, при котором трехфазная несимметричная система токов IА, IB и IC разлагается на системы токов прямой, обратной и нулевой последовательностей.

Система токов прямой последовательности İA1, İB1, İC1 создает в трехфазной синхронной машине м.д.с. якоря, вращающуюся синхронно с ротором, т.е. неподвижную относительно обмоток ротора. Этот режим подробно рассмотрен в предшествующих параграфах настоящей главы. Индуктивное сопротивление фазы для токов прямой последовательности хпр=хсн.

Система токов обратной последовательности İА2, İВ2, İC2 создает м.д.с. якоря, вращающуюся в сторону, противоположную вращению ротора, так как имеет место чередование максимумов тока в фазах, обратное по отношению к токам прямой последовательности. Следовательно, магнитное поле токов обратной последовательности пересекает обмотки ротора с двойной частотой и индуктирует в обмотке возбуждения и демпферной обмотке э. д. с, имеющую в два раза большую частоту, чем э. д. с. обмотки якоря. Наличие э.д. с. и токов двойной частоты в обмотках ротора заставляет при расчете токов обратной последовательности пользоваться сверхпереходными (или переходными) индуктивными сопротивлениями. Другими словами, для потоков обратной последовательности короткозамкнутая демпферная клетка играет ту же роль, что и короткозамкнутая обмотка ротора асинхронной машины по отношению к вращающемуся потоку.

Поток обратной последовательности равномерно пересекает то продольную, то поперечную ось ротора. Вследствие этого среднее значение индуктивного сопротивления машины для токов обратной последовательности можно принять равным

. (1.60)

Если демпферная обмотка расположена по всей окружности якоря, то можно считать, что

. (1.61)

Сопротивления для токов обратной последовательности можно получить экспериментально, если включить синхронную машину в сеть и вращать ротор с синхронной частотой против направления вращения поля.

Токи двойной частоты, возникающие в демпферных обмотках и массивном роторе, вызывают дополнительные потери, из-за которых может возникнуть опасный нагрев ротора и снижение к. п. д. машины. Увеличение сечения стержней демпферной обмотки с целью снижения активного сопротивления и потерь не всегда дает положительный эффект, так как при двойной частоте сильно сказывается эффект вытеснения тока. Взаимодействие м. д. с. возбуждения ротора и потока обратной последовательности статора создает знакопеременный колебательный момент, вызывающий вибрацию машины и шум.

Система токов нулевой последовательности IА0, IB0, IC0 создает во всех трех фазах м. д. с, совпадающие по времени, так как

İA0= İВ0 = İC0 (1.62)

На рис. 1.61 показаны магнитные поля, образуемые этими токами в каждой из фаз якоря для простейшего случая сосредоточенной обмотки. Легко заметить, что для основной гармоники магнитный поток в воздушном зазоре от токов нулевой последовательности равен нулю. Вследствие этого токи нулевой последовательности могут создавать только потоки рассеяния Фσ0 и пульсирующие потоки гармоник, кратных трем.

Рис. 1.61 – Потоки рассеяния, образуемые токами нулевой последовательности в обмотках якоря

При диаметральной обмотке якоря потоки рассеяния токов нулевой последовательности замыкаются так же, как потоки рассеяния для токов прямой последовательности, а поэтому приблизительно равны и соответствующие индуктивные сопротивления х0 = xsa. При укорочении шага обмотки индуктивное сопротивление уменьшается и достигает минимума при шаге обмотки, равном 2/3 полюсного деления, так как в этом случае во всех пазах проводники нижнего и верхнего слоев принадлежат разным фазам.

Следовательно, при y= (2/3)τ полный ток нулевой последовательности каждого из пазов будет равен нулю, а индуктивное сопротивление будет определяться потоком лобовых частей. При рекомендуемом для синхронных машин шаге y = 0,8τ индуктивное сопротивление х0 уменьшается почти в три раза по сравнению с его значением при диаметральной обмотке. Таким образом, обычно 0,3xsa < х0 < xsa.

Экспериментально величину х0 можно определить, если включить все фазы обмотки якоря последовательно и присоединить их к источнику однофазного переменного тока. Обмотку возбуждения при этом нужно замкнуть накоротко, а ротор привести во вращение с номинальной частотой. В этом опыте U = 3I0x0, откуда x0 = U/(3I0). Наличие короткозамкнутой обмотки возбуждения на роторе уменьшает дифференциальный поток рассеяния, а вращение ротора выравнивает фазные сопротивления, которые при неподвижном роторе оказались бы различными из-за различия в положении проводников отдельных фаз относительно оси обмотки возбуждения. Если на роторе имеется мощная демпферная обмотка, то обмотка возбуждения оказывает незначительное влияние на величину х0, т.е. ее можно не замыкать накоротко л не приводить во вращение.

Несимметричные установившиеся короткие замыкания. Простейшим примером несимметричной нагрузки является однофазное короткое замыкание. Этот режим помимо методического имеет и большое практическое значение, так как его результаты можно использовать при определении токов аварийного короткого замыкания.

При однофазном коротком замыкании (рис. 1.62, а)

; и .

Из условия (2–108) получим для этого режима

. (1.63)

Следовательно, в данном случае во всех трех фазах возникают токи прямой, обратной и нулевой последовательностей, хотя и имеют место условия İВ1 + İВ2 + İВ0 = İВ = 0 и İС1 + İС2 + İСо =İС = 0.

Вращающийся магнитный поток возбуждения индуктирует во всех фазах э.д.с. только прямой последовательности Ė1 = Ė0. Пренебрегая активными сопротивлениями, для фазы А– X можно написать

(1.64)

или с учетом (1.63)

EA = jiA(xnp + x2 + x0)/3, (1.65)

откуда установившийся ток однофазного короткого замыкания

. (1.66)

Рис. 1.62 – Схема однофазного короткого замыкания (а) и векторная диаграмма токов и напряжений при этом режиме (б)

Сравнивая (1.66) с величиной установившегося тока трехфазного короткого замыкания Iкз = Е0/хсн, получаем, что Iк1 > Iкз, так как xпр = xсн; х2 < хсн и х0 < хсн. Величину напряжений для фаз В–Y и С–Z определим из уравнений:

UB = EB–jIBlxnv–jiBix2–jIB0x0; (1.67)

Uc = Ec–jiclxnv–jiC2x2–jiC0x0. (1.68)

На рис. 1.62, б показана векторная диаграмма, построенная по (1.64), (1.67) и (1.68) для всех трех фаз. Построение начинается с вектора ĖА и отстающего от него по фазе на 90° вектора İА. Векторы İA1, İA2 и İА0 совпадают с вектором İA по фазе и составляют ⅓ от него по величине. Остальные векторы симметричных составляющих соответственно ориентируются по току в фазе А – X. Дальнейшие построения производятся обычным порядком с учетом того, что векторы фазных э. д. с. сдвинуты относительно друг друга на 120°.

Двухфазное короткое замыкание, например, фаз А – X и В–Y (рис. 1.63, а) характеризуется следующими соотношениями: İС = 0; ÙAB = 0; ÙA=ÙB в силу симметрии схемы и İА = – İВ, так как при положительном направлении тока в фазе А – X (например, от конца фазы к началу), в фазе В–Y ток будет иметь отрицательное направление. Токи нулевой последовательности в данном режиме равны нулю, так как

. (1.69)

Рис. 1.63 – Схема двухфазного короткого замыкания (а) и векторные диаграммы токов и напряжений при этом режиме (б, в)

Так как в фазе С–Z сумма токов прямой и обратной последовательностей равна нулю

. (1.70)

и для нее İС1 = – İС2, то, очевидно, во всех фазах токи прямой и обратной последовательностей будут равны по модулю (рис. 1.63, б). Для определения установившегося тока двухфазного короткого замыкания İк2 будем исходить из фазных напряжений:

(1.71)

При этом линейное напряжение

Из векторной диаграммы (рис. 1.63, б) следует, что

. (1.72)

Откуда

. (1.73)

Следовательно,

. (1.74)

Так как İА–İВ = 2İА = (İА1–İВ1) +(İА2–İВ2) = 2İАВ1 получаем

. (1.75)

Векторная диаграмма напряжений при двухфазном коротком замыкании изображена на рис. 1.63, в.

Внезапное (аварийное) короткое замыкание. При одно- и двухфазном внезапных коротких замыканиях ток короткого замыкания больше, чем при трехфазном аварийном коротком замыкании, в соответствии с тем, что при установившемся режиме ток при двух- и однофазном коротких замыканиях больше, чем при трехфазном. В случае аварийных несимметричных коротких замыканий возникают, так же как при трехфазном коротком замыкании, апериодическая и периодическая составляющие тока. Начальное действующее значение периодической составляющей тока I'уст.макс можно определять по формулам (1.66) или (1.75), подставляя вместо хпр величину х"d или x'd. При этом индуктивные сопротивления х2 и х0 остаются практически одинаковыми как для установившихся, так и для переходных режимов. В остальном определение тока короткого замыкания при несимметричных режимах производится так же, как и при трехфазном коротком замыкании.

1.20 Синхронные машины с постоянными магнитами

Машины с постоянными магнитами позволяют уменьшить потери в машине, а также (при полюсах, расположенных на роторе) избавиться от подвода тока через контактные кольца к обмотке возбуждения. Недостатком постоянных магнитов с высокой коэрцитивной силой является их чрезвычайно высокая стоимость. Однако в настоящее время появились первые образцы электрических машин с дешевыми ферритно-бариевыми магнитами. Типичная кривая намагничивания ферритно-бариевого магнита изображена на рис. 1.64. Остаточная индукция такого магнита Вг ≈ 0,35 Т, коэрцитивная сила Hс ≈ 250 кА/м. Но чтобы получить хорошее использование материалов в машине и пре-емлемые габариты машины, индукция в воздушном зазоре должна составлять 0,5–1,0Т, как это обычно имеет место в машинах с электромагнитным возбуждением.

Рис. 1.64 – Кривая намагничивания феррито-бариевого магнита

Для повышения индукции в воздушном зазоре и зубцах машины применяют различные концентраторы магнитного потока. Принцип устройства концентратора состоит в том, что площадь поперечного сечения магнита берется больше площади воздушного зазора (рис. 1.65, а). При этом индукция в воздушном зазоре определяется равенством

, (1.76)

где Sм – площадь сечения воздушного зазора для постоянного магнита; Sσ–площадь сечения воздушного зазора, через которое замыкается магнитный поток машины.

Выполняя машину с отношением Sм/Sσ ≈ 2 ÷ 3, получают желаемую индукцию в воздушном зазоре.

Рис. 1.65 – Принцип устройства концентратора магнитного потока (а) и конструктивная схема генератора с постоянными магнитами (б): 1-статор, 2 – ротор, 3 – постоянные магниты

Особенно выгодно применение машин с концентраторами магнитного потока при высоких частотах вращения и повышенной частоте тока. На рис. 1.65, б изображена конструктивная схема две-надцатиполюсного генератора мощностью 20 кВт на частоту 300 Гц при частоте вращения 3000 об/мин.

Недостаток такого генератора заключается в том, что невозможно регулировать его выходное напряжение. Однако изменение напряжения под нагрузкой не очень велико, так как отношение короткого замыкания весьма значительно: kо.к.з ≈ 3,5.

Можно ожидать, что мощные синхронные машины с постоянными магнитами в ближайшие годы найдут широкое применение в комбинации с полупроводниковыми преобразователями не только в качестве генераторов, но и двигателей.

2. Машины постоянного тока

2.1 Принцип действия машины постоянного тока

Машина постоянного тока (рис. 2.1) имеет обмотку возбуждения, расположенную на явно выраженных полюсах статора. По обмотке возбуждения проходит постоянный ток Iв, который создает магнитное поле возбуждения Фв. На роторе размещена двухслойная обмотка, в которой при вращении ротора индуктируется э. д.с. Таким образом, ротор машины постоянного тока является якорем, а конструкция машины сходна с конструкцией обращенной синхронной машины.

При заданном направлении вращения якоря направление э. д. с, индуктируемой в проводниках, зависит только от того, под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках, расположенных под одним полюсом, направление э.д.с. одинаковое и сохраняется таким независимо от частоты вращения.

Другими словами, картина, изображающая направление э.д.с. на рис. 2.1, неподвижна во времени: в проводниках, расположенных выше горизонтальной оси симметрии, которая разделяет полюсы (геометрическая нейтраль), э.д.с. всегда направлена в одну сторону; в проводниках, лежащих ниже геометрической нейтрали, э.д.с. направлена в противоположную сторону.

Рис. 2.1 – Электромагнитная схема машины постоянного тока: 1-обмотка возбуждения, 2 – главные полюсы, 3 – якорь, 4-обмотка якоря, 5-щетки, 6 – корпус (станина)

При вращении якоря проводники обмотки перемещаются от одного полюса к другому; э.д.с, индуктируемая в них, меняет знак, т.е. в каждом проводнике наводится переменная э.д.с. Однако количество проводников, находящихся под каждым полюсом, остается неизменным. При этом суммарная э.д.с, индуктируемая в проводниках, которые находятся под одним полюсом, также неизменна по направлению и приблизительно постоянна по величине. Эта э.д.с. снимается с обмотки якоря при помощи скользящего контакта, включенного между обмоткой и внешней цепью.

На рис. 2.2 показана эквивалентная электрическая схема обмотки якоря двухполюсной машины постоянного тока. Обмотка якоря выполняется замкнутой, симметричной. При отсутствии внешней нагрузки ток по обмотке не проходит, так как э.д.с. Е, индуктируемые в различных частях обмотки, взаимно компенсируются.

Рис. 2.2 – Эквивалентная электрическая схема обмотки якоря двухполюсной машины постоянного тока

Если расположить щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой якоря, на геометрической нейтрали, то при отсутствии внешней нагрузки к щеткам будет приложено напряжение U, равное э. д. с. Е, индуктированной в каждой из половин обмотки. Это напряжение практически неизменно, хотя и имеет некоторую переменную составляющую, обусловленную изменением положения проводников в пространстве. При большом количестве проводников пульсации напряжения весьма незначительны.

Если к щеткам подключить сопротивление нагрузки rн то через обмотку якоря будет проходить постоянный ток Iа, направление которого определяется направлением э.д.с. Е. В обмотке якоря ток Iа разветвляется и проходит в данном случае по двум параллельным ветвям (токи ia).

Для обеспечения надежного токосъема щетки скользят не по проводникам обмотки якоря (как это было на заре электромашиностроения), а по коллектору, который выполнен в виде цилиндра, набираемого из медных пластин, изолированных друг от друга. К каждой паре соседних коллекторных пластин присоединяют часть обмотки якоря, состоящую из одного или нескольких витков. Эту часть называют секцией обмотки якоря.

Если машина работает в генераторном режиме, то коллектор вместе со скользящими по его поверхности щетками является механическим выпрямителем. В двигательном режиме, когда к якорю подводится питание от источника постоянного тока и он преобразует электрическую энергию в механическую, коллектор со щетками можно рассматривать как преобразователь частоты, связывающий сеть постоянного тока с обмоткой, по проводникам которой проходит переменный ток.

Таким образом, главной особенностью машины постоянного тока является наличие коллектора и скользящего контакта между обмоткой якоря и внешней электрической цепью.

2.2 Устройство машины постоянного тока

Машина постоянного тока (рис. 2.3) по конструктивному исполнению подобна обращенной синхронной машине, у которой обмотка якоря расположена на роторе, а обмотка возбуждения – на статоре. Основное отличие заключается в том, что машина постоянного тока имеет на якоре коллектор, а на статоре, помимо главных полюсов с обмоткой возбуждения–добавочные полюсы, которые служат для уменьшения искрения под щетками.

Статор. На статоре расположены главные полюсы с катушками обмотки возбуждения и добавочные полюсы (на рис. 2.3 не показаны) с соответствующими катушками, служащие для обеспечения безыскровой работы щеток. Полюсы крепят болтами к стальному корпусу (станине), который является частью магнитной цепи машины. Главные полюсы (рис. 2.4) выполняют шихтованными (из стальных штампованных листов), а добавочные – массивными или также шихтованными. Стальные листы спрессовывают под давлением и скрепляют заклепками, головки которых утоплены в нажимные щеки, установленные по краям каждого полюса. Шихтованными требуется изготовлять только наконечники главных полюсов, так как при вращении зубчатого якоря из-за пульсации магнитного потока в воздушном зазоре в них возникают вихревые токи и потери мощности. Однако по технологическим соображениям чаще всего выполняют шихтованным весь полюс. Полюсы крепят к станине болтами; нарезку резьбы для болтов выполняют непосредственно в шихтованном сердечнике полюса (рис. 2.4, а) либо в массивных стальных стержнях (рис. 2.4, б), которые вставляют в выштампованные отверстия в полюсах.

Рис. 2.3 – Устройство электрической машины постоянного тока:

1 – коллектор, 2 – щетки, 3 – сердечник якоря, 4 – главный полюс,

5 – катушка обмотки возбуждения, 6 – корпус (станина), 7 – подшипниковый щит,

8 – вентилятор, 9 – обмотка якоря

Катушки главных и добавочных полюсов изготовляют из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения.

Рис. 2.4 – Главные полюсы электрической машины постоянного тока:

1 – полюсный наконечник, 2 – сердечник полюса, 3 – установочный болт,

4 – заклепки, 5 – установочный стержень, 6 – нажимные щеки

Катушки машин малой мощности выполняют из тонкой проволоки; последовательные катушки обмоток возбуждения и добавочных полюсов изготовляют из полосовой меди (рис. 2.5). Расположенную на полюсе обмотку иногда разбивают на несколько катушек (секций) для лучшего ее охлаждения. При секционном выполнении катушек между отдельными секциями устанавливают дистанционные шайбы из изоляционного материала, посредством которых образуются вентиляционные каналы.

Рис. 2.5 – Катушки полюсов:

а – главных: 1 – главный полюс, 2 – катушка обмотки возбуждения;

б – добавочных: 1 – обмотка добавочных полюсов, 2 – добавочный полюс, 3 – опорный угольник

Якорь. Сердечник якоря (рис. 2.6, а), так же как в синхронной машине, собирают из изолированных листов электротехнической стали (рис. 2.6, б). Обмотку якоря изготавливают из провода круглого или прямоугольного сечения; обычно она состоит из отдельных, заранее намотанных якорных катушек (рис. 2.7, а), которые обматывают изоляционными лентами и укладывают в пазы сердечника якоря. Обмотку выполняют двухслойной; в каждом пазу размещают две стороны различных якорных катушек – одну поверх другой (рис. 2.7, б) Каждая якорная катушка включает в себя несколько секций, концы которых припаивают к соответствующим коллекторным пластинам; секции могут быть одно- и многовитковыми.

Коллектор. Обычно коллектор выполняют в виде цилиндра (рис. 2.8), собранного из клинообразных пластин твердотянутой меди; между пластинами располагают изоляционные прокладки из миканита Узкие края коллекторных пластин имеют форму «ласточкина хвоста»; после сборки коллектора эти края зажимают между корпусом и нажимным фланцем (рис. 2.8, а) и изолируют от этих деталей манжетами из миканита Секции обмотки якоря впаивают в прорези, имеющиеся в выступающей части коллекторных пластин. В машинах малой и средней мощности широко применяют коллекторы, в которых медные пластины и миканитовые прокладки запрессованы в пластмассу (рис. 2.8, б). Поверхность собранного коллектора обтачивают на токарном станке и тщательно шлифуют. Чтобы миканитовые прокладки при срабатывании коллектора не выступали над пластинами и не вызывали вибрации щеток, их профрезеровывают на 0,8–1,5 мм ниже поверхности коллектора

Рис. 2.6 – Сердечник якоря (а) и процесс его сборки (б):

1, 3 – нажитые шайбы (обмоткодержатели), 2 – выточки для наложения бандажа,

4 – место для запрессовки коллектора, 5– изоляционная пленка, 6 – стальной лист

Рис. 2.7 – Наложение обмотки на сердечник якоря (а) и

расположение якорных катушек в пазах (б):

1 – якорные катушки, 2 – сердечник якоря, 3 – коллектор,

4, 5 – верхняя и нижняя стороны якорной катушки

Щеточный аппарат. По цилиндрической части коллектора скользят щетки, установленные в щеткодержателях. Щетки представляют собой прямоугольные бруски из композиции, выполненной на основе графита. Они предназначены для соединения коллектора с внешней цепью и прижимаются к поверхности коллектора пружинами (рис. 2.9, а). При вращении якоря щетки сохраняют неизменное положение по отношению к полюсам машины. Щеткодержатели укрепляют на щеточных пальцах и изолируются от них. Щеточные пальцы, в свою очередь, крепят либо к подшипниковому щиту, либо к траверсе, которая позволяет при необходимости поворачивать всю систему щеток по отношению к полюсам машины. В машинах малой мощности часто применяют трубчатые щеткодержатели (рис. 2.9, б), устанавливаемые непосредственно в подшипниковом щите. Щетки (рис. 2.10) в зависимости от состава, способа изготовления и физических свойств могут иметь различную маркировку. Все марки объединяются в шесть основных групп: угольно-графитные, графитные, электрографитированные, медно-графитные, бронзо-графитные и серебряно-графитные. Для каждой машины следует применять только щетки установленной марки, которая выбирается заводом-изготовителем исходя из условий работы машины.

Рис. 2.8 – Коллектор машины постоянного тока с металлическим (а)

и пластмассовым (б) корпусом:

1 – корпус, 2 – нажимной фланец, 3-изоляционные манжеты, 4 – коллекторные пластины, 5 – изоляционные прокладки, 6 – пластмасса, 7 – втулка

Рис. 2.9 – Щеткодержатели машин средней (а) и малой (б) мощности:

1 – щетка, 2 – обойма, 3 – пружина, 4 – зажимы для крепления к щеточному пальцу, 5-щеточным канатик, 6 – нажимной палец, 7 – колпак, 8 – иэолящ. олная втулка, 9 – подшипниковый щит, 10 – зажим для выводного проводника

2.3 Э.д.с. и электромагнитный момент машины постоянного тока

Процесс индуктирования э.д.с. в обмотке якоря. Рассмотрим процесс индуктирования э.д. с. в обмотке якоря, проводники которой для простоты будем считать равномерно распределенными вдоль окружности якоря (рис. 2.11, а). При вращении якоря в проводниках, лежащих под полюсами N и S, индуктируются э. д. с. противоположного направления. Проводники, в которых индуктируются эти э. д. с, расположены по обе стороны от геометрической нейтрали 0–0-оси симметрии, разделяющей полюсы. На рис. 2.11, б показана электрическая схема обмотки якоря с коллектором. Она выполнена в виде многофазной обмотки, состоящей из большого числа витков, подключенных к пластинам коллектора, так чтобы между каждой парой смежных коллекторных пластин был включен один или несколько витков.

Рис. 2.10 – Щетки машин малой (а) и большой (б) мощности:

1 – щетка, 2 – щеточный канатик, 3 – кабельный наконечник

На коллектор накладываются щетки А и В, посредством которых вращающаяся обмотка якоря соединяется с внешней цепью. При вращении якоря между щетками А и В действует постоянная по величине э.д. с. Е, равная сумме э. д. с, индуктированных во всех последовательно соединенных витках обмотки якоря, которые включены между щетками. Чтобы подать от обмотки якоря во внешнюю цепь максимальное напряжение, ее нужно присоединить к двум точкам обмотки якоря, между которыми действует наибольшая разность потенциалов. Такими точками при холостом ходе машины являются точки а и b (рис. 2.11, б), расположенные на геометрической нейтрали, где и следует устанавливать щетки А и В.

Рис. 2.11 – Якорь машины постоянного тока (а), упрощенная схема его обмотки (б) и векторная диаграмма индуктируемых в ней э. д. с (в):

1 – обмотка якоря, 2 – коллектор

При вращении якоря точки а и b смещаются с геометрической нейтрали, но к щеткам будут подходить все новые и новые точки обмотки, между которыми действует э.д. с. Е, поэтому э.д. с. во внешней цепи будет неизменна по величине и направлению. Уменьшения пульсаций э. д. с. Е при переходе щеток с одной коллекторной пластины на другую добиваются установкой большого числа коллекторных пластин; число коллекторных пластин, приходящихся на одну параллельную ветвь обмотки якоря, должно быть не менее восьми.

Если заменить несинусоидальную э.д. с, индуктируемую в витках обмотки якоря, эквивалентной синусоидальной э.д. с, то действующая между щетками А и В э.д.с. Е может быть получена из векторной диаграммы (рис. 2.11, в). Из нее следует, что при достаточно большом числе секций обмотки якоря э. д. с. Ė будет практически неизменна во времени и равна диаметру окружности, описанной вокруг многоугольника э.д. с. ė1, ė2, ė3 и т.д., индуктированных в отдельных витках этой обмотки.

Щетки А и В разделяют рассматриваемую обмотку на две параллельные ветви, в каждой из которых действует э.д. с. Е. При разомкнутой внешней цепи ток по обмотке не проходит, так как э.д.с, индуктированные в двух ее ветвях, направлены встречно и взаимно компенсируются. Полная компенсация будет, очевидно, иметь место при строго симметричном выполнении обмотки и равенстве магнитных потоков полюсов; условие симметрии в случае двухполюсной обмотки сводится к равномерному распределению проводников на внешней поверхности якоря.

Электродвижущая сила. Мгновенное значение э.д. с, индуктируемой в каждом активном проводнике (рис. 2.12),

, (2.1)

где Вх–индукция в рассматриваемой точке х воздушного зазора; va–окружная скорость якоря; lа–длина проводника в магнитном поле.

Следовательно,

. (2.2)

Здесь N – общее числа активных проводников обмотки якоря; N/2а – число активных проводников, входящих в одну параллельную ветвь.

При достаточно большом числе коллекторных пластин можно пренебречь пульсацией э. д.с. и считать, что

, (2.3)

где Вср – среднее значение индукции на протяжении полюсного деления τ.

Учитывая также, что

Вср1аt = Ф, (2.4)

где τ = πDa/(2p) – полюсное деление;

Получим

, (2.5)

где се = pN/(60a) – коэффициент, определяемый конструктивными параметрами машины и не зависящий от режима ее работы.

Рис. 2.12 – Направление э д с и тока в витке обмотки якоря при его вращении относительно полюсов

Формула (2.5) дает среднее значение э.д.с. Е. В действительности величина ее колеблется (пульсирует) между двумя предельными значениями – Емакс и Емин. При вращении якоря часть витков, замыкаясь накоротко щетками, выключается из параллельных ветвей и за время поворота якоря на угол, соответствующий одной коллекторной пластине, сумма мгновенных значений э.д.с. успевает несколько измениться. Максимальное значение возникающих при этом пульсаций э.д.с. ΔЕ = 0,5 (Емакс – Емин) зависит от числа коллекторных пластин К:

К	2	4	8	10	20	40
DЕ, %	100	17,2	4	2,5	0,62	0,16

Значения ΔЕ приведены в процентах от теоретического среднего значения э.д.с. Е.

Период пульсаций равен времени поворота якоря на одну коллекторную пластину, вследствие чего их частота в K/p раз больше частоты fa, с которой изменяется э.д. с, индуктированная в проводниках обмотки якоря.

Напряжение между соседними коллекторными пластинами. Если падением напряжения в витке пренебречь, то напряжение ик между соседними пластинами будет равно сумме э.д. с, индуктируемых во включенных между ними витках обмотки якоря. Например, для обмотки, состоящей из одновитковых секций (рис. 2.12), напряжение ик = 2е. Из (2.1) следует, что э.д. с. е пропорциональна индукции Вх в соответствующей точке воздушного зазора. Поэтому кривая распределения вдоль коллектора напряжений ик между соседними пластинами будет подобна кривой распределения индукции Bx = f(x) в воздушном зазоре (рис. 2.13, а).

Рис. 2.13 – Кривые распределения индукции Вх и напряжения ик вдоль окружности якоря при установке щеток на геометрической нейтрали (а) и при сдвиге их с нейтрали (б)

Важной характеристикой надежности работы машины постоянного тока является так называемая потенциальная кривая, представляющая собой зависимость изменения напряжения Ux вдоль окружности коллектора. При переходе от одной коллекторной пластины к другой напряжение Uх изменяется ступенчато, но при достаточно большом числе коллекторных пластин эту зависимость можно заменить плавной кривой (рис. 2.13, а). Потенциальная кривая является интегральной по отношению к кривой магнитного поля Bx = f(x), так как площадь кривой магнитного поля пропорциональна сумме э.д. с, индуктируемых во всех витках, которые включены между щетками А и В. Наибольшее напряжение между соседними коллекторными пластинами ик.макс возникает там, где потенциальная кривая имеет наибольшую крутизну.

Как было указано выше, при холостом ходе машины значение э.д. с. Е будет максимальным при установке щеток А и В на геометрической нейтрали. Если смещать щетки с геометрической нейтрали на некоторый угол α (рис. 2.13, б), то часть окружности якоря, соответствующая углу α, будет находиться в зоне с индукцией – Вх, созданной полюсом противоположной полярности. При этом уменьшится результирующая э.д. с. Е и напряжение U между щетками А и В, так как в проводниках якоря, расположенных в

указанной зоне, индуктируются э. д. с, противоположные по направлению э. д. с. в остальных проводниках.

Электромагнитный момент. На якорь, по обмотке которого проходит ток Iа, действует электромагнитный момент

M = 0,5Fve3Da, (2.6)

где Fpeз – результирующая электромагнитная сила, возникающая при взаимодействии тока с магнитным полем.

Сила Fрез представляет собой сумму усилий fx, приложенных ко всем активным проводникам обмотки якоря,

При достаточно большом числе коллекторных пластин силу Fрез можно считать постоянной:

. (2.7а)

Здесь iа–ток в одной параллельной ветви (см. рис. 2.12),

С учетом (2.4) и (2.7а) электромагнитный момент

(2.7б)

При работе машины в двигательном режиме электромагнитный момент является вращающим, а в генераторном режиме–тормозным.

2.4 Обмотки якоря

В настоящее время применяют якоря только барабанного типа, в которых проводники обмотки укладывают в два слоя в пазы, расположенные на наружной поверхности якоря (рис. 2.14, а). Для того чтобы э.д.с, индуктированные в двух сторонах каждого витка, складывались, стороны его следует располагать под полюсами противоположной полярности (рис. 2.14, б). В этом случае в каждом витке индуктируется э.д.с, в два раза большая, чем в одном проводнике. Следовательно, как и в обмотках переменного тока, основной шаг обмотки должен быть равен полюсному делению τ.

Обмотки барабанного якоря подразделяют на две основные группы: петлевые (параллельные) и волновые (последовательные). В машинах большой мощности применяют также параллельно-последовательную (лягушачью) обмотку, в которой сочетаются элементы петлевой и волновой обмоток. Основной частью каждой обмотки является секция, состоящая из одного или нескольких последовательно включенных витков; концы секций присоединяют к двум коллекторным пластинам. Число секций S равно числу коллекторных пластин K. Все секции обмотки обычно имеют одинаковое количество витков. На схемах обмоток секции для простоты всегда изображают одновитковыми. При двухслойной обмотке стороны секции, расположенные в верхнем слое, изображают сплошными линиями, а в нижнем слое–штриховыми (рис. 2.14, в).

Шаг секции yi (его называют также основным или первым частичным шагом обмотки) должен быть приблизительно равен полюсному делению т. При уi = τ шаг называют диаметральным; при уi < τ – укороченным; при уi > τ – удлиненным.

Рис. 2.14 – Расположение проводников обмотки на якоре барабанного типа (а, 6) и схема двухслойной обмотки (в)

Простая петлевая обмотка. При простой петлевой обмотке секцию присоединяют к соседним коллекторным пластинам (рис. 2.15, а). Для выполнения обмотки необходимо знать ее результирующий шаг у (рис. 2.15, б), первый у1 и второй у2 частичные шаги, а также шаг по коллектору ук. Результирующим шагом обмотки называют расстояние между начальными сторонами двух секций, следующих друг за другом по ходу обмотки; первым частичным шагом – расстояние между двумя сторонами каждой секции (шаг секции); вторым частичным шагом – расстояние между конечной стороной одной секции и начальной стороной следующей секции. Указанные расстояния обычно выражают в числе пройденных секций. Шагом по коллектору называют расстояние в коллекторных делениях между пластинами, к которым присоединены две стороны каждой секции. Так как K = S, то результирующий шаг обмотки у и шаг по коллектору ук равны. При петлевой обмотке y = y1–y2 и ук=у. Обмотку называют простой, если у=ук=±1. В этой обмотке каждая последующая секция расположена рядом с предыдущей, а якорная катушка имеет форму петли, откуда и получила свое название рассматриваемая обмотка. Обычно при выполнении обмотки принимают ук = + 1 (неперекрещенная обмотка), так как в этом случае несколько снижается расход обмоточного провода. На рис. 2.16 показаны якорные катушки машин постоянного тока при петлевой и волновой обмотках.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9