Дрючин В.Г., Ткачев Р.Ю. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи
Подождите немного. Документ загружается.
В сердечниках якоря имеются пазы разнообразной формы: полузакрытый
грушевидный (рис. 3.3,б), открытый прямоугольный (см. рис. 3.3,в и г).
Коллектор (рис. 3.3,д) набирается из клинообразных медных пластин
(ламелей), которые изолируются друг от друга миканитом. В прорезь выступа
коллекторной пластины впаиваются два конца соседних секций обмотки якоря.
В машинах малой мощности с частотой вращения до 10 тыс. об/мин коллектор
может иметь пластмассовый корпус (рис. 3.3,е).
5.4. Коллектор — электромеханический выпрямитель
Обмотка якоря машины постоянного тока электрически замкнута (рис. 3.4,а).
Однако, поскольку она выполнена симметричной, как и чередующиеся полюсы
статора, алгебраическая сумма индуцированных в ней пульсирующих э. д. с. равна
нулю и ток в контуре обмотки отсутствует. Для получения на обмотке якоря
эквивалентной выпрямленной э. д. с., которая является источником постоянного
тока для внешней цепи, используются коллектор и щетки.
Работа коллектора наглядно может быть иллюстрирована схемой кольцевого якоря,
показанной на рис. 3.4,а, где обмотка якоря изображена без кольцевого сердечника в
виде шести витков-секций, соединенных в замкнутый контур и связанных
электрически с коллектором. Чтобы не затемнять схему, условно щетки с выводами
для внешней цепи изображены на внутренней стороне пластин коллектора.
Направление э. д. с. в витках обмотки якоря, вращающегося с угловой частотой Ω,
относительно неподвижных полюсов и щеток, определяется правилом правой руки.
Как следует из рис. 3.4,а, обмотка якоря делится щетками на две параллельные
симметричные ветви, э. д. с. которых направлены встречно.
Для получения наибольшего возможного значения эквивалентной
выпрямленной э. д. с. е во внешней цепи щетки устанавливаются на
геометрической нейтрали, т. е. в таком положении, чтобы они соединялись
Рисунок 3.4 – Электрическая схема машин постоянного тока
через коллекторные пластины с секциями обмотки, которые в данный момент проходят
через геометрическую нейтраль и не пересекают линии магнитного поля статора (е = 0).
Как в верхней, так и
нижней ветви обмотки (см. рис. 3. 4,а) пульсирующие переменные
э. д. с. отдельных секций складываются. Следовательно, эквивалентная э. д. с. машины
е между щетками равна сумме мгновенных э. д. с. е
к
всех секций верхней или нижней
ветви обмотки:
е = е
1
+ е
2
+ е
3
+ е
4
+ е
5
+ е
6
(3.1)
и является пульсирующей, как показано на графиках э. д. с, (рис. 3.4,б).
При вращении якоря, благодаря симметрии машины, эквивалентная э. д. с. е
между щетками пульсирует мало: выход из состава верхней ветви одной секции,
например 1 (е
1
) при правом вращении, одновременно компенсируется переходом в эту
ветвь противоположно расположенной секции 4 (е
4
) из нижней ветви. При этом их
э. д. с, меняют направление, так как наводятся полями других полюсов.
В реальных машинах постоянного тока обмотка якоря насчитывает десятки
секций (соответственно столько же пластин имеет коллектор) и пульсация
выпрямленной э. д. с. становится практически незаметной. Поэтому э. д. с. якоря
О 90 180 270
360
(
Ω
t)
o
а
Е оказывается постоянной [8].
Как следует из рис. 3.4, а, в двухполюсной машине имеются две параллельных
ветви в обмотке якоря, т. е. число пар параллельных ветвей а = 1. С увеличением
числа полюсов (и щеток) в машине соответственно возрастает и число пар
параллельных ветвей обмотки якоря. Для четырехполюсной машины а=2
(рис.
3.4,в).
5.5. Обмотка якоря
Современные машины имеют барабанный якорь с двухслойной обмоткой,
которая по типу может быть петлевой (параллельной), волновой (последовательной)
и комбинированной, сочетающей в себе элементы двух первых.
Обмотка якоря составляется из отдельных с е к ц и й, концы которых
припаиваются к пластинам коллектора. Секции имеют по два активных участка и
могут состоять из одного, двух или нескольких витков (рис. 3.5 и 3.6). Секции
обмотки укладываются в пазах барабана якоря в два слоя (один участок вверху одного
паза, другой – внизу другого паза) и в определенном порядке, чтобы при вращении
якоря их участки всегда находились под разными полюсами статора (отстояли друг от
друга примерно на одно полюсное деление τ), т. е. чтобы индуцированные в них э. д. с.
действовали согласно и складывались [8].
Для правильной укладки секций обмотки в пазах барабана якоря и соединения
их с коллектором необходимо знать: полюсное деление, шаги обмотки по якорю и шаг
по коллектору. Полюсное деление τ - это часть окружности якоря, приходящаяся на
один полюс, или расстояние между осями соседних полюсов:
τ=2πD/(2р), (3.2)
где D — диаметр якоря;
2р - число основных полюсов (р – число пар полюсов) машины.
П е т л е в а я о б м о т к а изображена на рис. 3.5. Она наматывается так, что
конец ее последней секции соединяется с началом первой, т. е. она всегда замкнута.
При обходе замкнутой петлевой обмотки э. д. с. в ее секциях изменяют свое
направление под каждым полюсом. Обмотка делится на число пар
Рисунок 3.5 – Одновитковая (а), двухвитковая (б) секции, радиальная (в) и
развернутая (г) схемы петлевой обмотки якоря двухполюсной машины
постоянного тока
156
параллельных ветвей а, равное числу пар основных полюсов машины (см. рис.
3.4), т. е. для петлевой обмотки всегда
а = р. (3.3)
Такое деление обмотки фиксируется щетками на коллекторе. Число щеток
равно числу основных полюсов машины. Щетки устанавливаются на коллекторе
по оси полюсов (при наличии добавочных полюсов) так, чтобы они соединялись с
участками секции, которые в данный момент почти не пересекают силовые
линии. Каждая щетка обычно перекрывает на коллекторе несколько пластин. Так
как секции в каждой параллельной ветви обмотки соединены последовательно, то
их э. д. с. складываются. В машине все параллельные ветви и их щетки
соединяются параллельно, поэтому петлевая обмотка называется еще
параллельной.
Волновая обмотка изображена на рис. 3.6. Концы ее секций
присоединяются к пластинам коллектора, расстояние между которыми почти
равно двойному полюсному делению. Эта обмотка несколько раз обходит якорь
по окружности, прежде чем ее стержни займут все пазы, и конец последней
секции соединится с началом первой (см. рис. 3.6,в и г). Индуцированные в
участках секции переменные э. д. с. имеют согласованное направление.
В волновой обмотке, в отличие от петлевой, число параллельных ветвей
всегда равно двум независимо от числа полюсов машины, т. е.
а=1. (3.4)
Так получается потому, что каждая половина секций, расположенных под
основными «северными» N или «южными» S полюсами, образует лишь одну
параллельную ветвь (см. рис. 3.6,г). Однако для уменьшения размеров коллектора и
разгрузки щеток в машинах с волновой обмоткой число щеток берут равным числу
основных полюсов 2р и соединяют их через одну в две цепи.
К о м б и н и р о в а н н а я о б м о т к а применяется в мощных машинах
постоянного тока при напряжении свыше 600 В.
Рисунок 3.6 – Одновитковая (а), двухвитковая (б) секции, радиальная (в)
и развернутая (г) схемы волновой обмотки двухполюсной машины постоянного
тока
5.6. Э.д.с., уравнения электрического состояния и способы
возбуждения машин постоянного тока
Примерное распределение радиальной составляющей магнитной индукции В
r
в воздушном зазоре под одним основным полюсом машины постоянного тока
показано на рис. 3.1, г. Магнитный поток одного полюса Ф можно выразить через
среднее значение магнитной индукции В
ср
:
τ
τ
lВldxBВdSФ
0
срr
∫ ∫
=== , (3.5)
где l — длина полюса в осевом направлении;
τ — полюсное деление.
При вращении якоря между полюсами статора провода его обмотки
пересекают в воздушном зазоре силовые линии магнитного поля и в каждом из них
индуцируется э. д. с. е, среднее значение которой
∑
⋅
=
=
60/рn2Фt/ФЕ
ср
, (3.6)
где р — число пар полюсов статора;
n — частота вращения якоря, об /мин.
Поскольку в обмотке якоря имеется N проводников и 2а параллельных
ветвей, результирующая выпрямленная э. д. с. якоря между щетками равна сумме
э. д. с. любой ветви с числом проводников N/(2а), т. е. Е=
a
2
N
60
рn2Ф
a
2
N
Е
ср
⋅
⋅
=⋅ , или
окончательно
сФn
E
=
, (3.7)
где с =
a
60
рN
— коэффициент, постоянный для данной машины;
Ф — магнитный поток одного полюса.
Таким образом, э. д. с. машины постоянного тока пропорциональна
магнитному потоку полюса статора и частоте вращения якоря. Из формулы (3.7)
следует, что для изменения направления (знака) э. д. с. на выводах щеток
необходимо изменить направление магнитного потока или направление вращения
якоря.
В генераторах постоянного тока частота вращения якоря обычно постоянна
(n=const). Для регулирования э. д. с. изменяют лишь магнитный поток статора,
воздействуя на ток возбуждения. Генератор с э. д. с. Е является источником
постоянного тока для внешней цепи (цепи нагрузки). Напряжение U на
нагруженном генераторе согласно второму закону Кирхгофа меньше э. д. с. на
падение напряжения в сопротивлении цепи якоря R
я
, т. е.
яя
IREU
−
=
. (3.8)
Это равенство называется уравнением электрического состояния
нагруженного генератора.
Рисунок 3.7 – Схемы возбуждения машин постоянного тока
У двигателя постоянного тока наведение в обмотке якоря э. д. с. Е при
вращении якоря в магнитном поле статора — вторичное явление. Эта э. д. с.
направлена против тока и приложенного напряжения U. Уравнение электрического
состояния двигателя имеет вид
яя
IREU
+
=
. (3.9)
В равенствах (3.8) и (3.9) в сопротивлении цепи якоря R
я
учитываются
сопротивления обмотки якоря, щеток и коллектора.
Основные свойства и характеристики машин зависят от схемы включения
обмотки возбуждения (способа возбуждения). Если в машине постоянного тока
обмотка возбуждения электрически изолирована от цепи якоря (рис. 3.7,а) и
питается от постороннего источника постоянного тока, то ее называют
м а ш и н о й н е з а в и с и м о г о в о з б у ж д е н и я. Ее особенность состоит в
том, что напряжение цепи возбуждения не зависит от мощности машины. К
машинам независимого возбуждения относятся также машины с постоянными маг-
нитами (малой мощности).
Обычно у машин постоянного тока цепь статора и цепь якоря электрически
связаны. У генераторов при этом возможно самовозбуждение, основанное на
использовании остаточной намагниченности полюсов и станины статора.
В зависимости от способа соединения обмотки статора с якорем различают
машины параллельного — рис. 3.7,б (шунтовые); последовательного — рис. 3.7,в
(сериесные) и смешанного — рис. 3.7,г (компаундные) возбуждения.
5.7. Электромагнитный момент и мощность машины постоянного
тока
При работе машины постоянного тока в режиме генератора ее якорь
вращается первичным двигателем, к обмотке возбуждения подключается источник
постоянного тока, а к щеткам — приемник электроэнергии. В генераторе
индуцируется э. д. с. Е и он отдает электроэнергию приемникам (Е>U). Создание
э. д. с. в работающем генераторе — это первичное явление, основанное на законе
электромагнитной индукции. В генераторе одновременно имеет место и вторичное
(реактивное) явление — взаимодействие тока якоря с магнит ным полем статора
(рис. 3.8,а) создает тормозящий электромагнитный момент М
эм
, который и
преодолевается моментом М первичного двигателя. В установившемся режиме (при
n=const) М
эм
= М.
В режиме двигателя взаимодействие тока якоря с магнитным потоком
статора (рис. 3.8, б) создает электромагнитный момент М
эм
, который приводит во
вращение якорь и уравновешивается тормозящим моментом нагрузки М. Так как
при вращении якоря его обмотка пересекает силовые линии поля статора, в машине
вторичным электромагнитным явлением будет создание в якоре э. д. с. индукции,
направление которой в соответствии с правилом правой руки оказывает
ся
противоположным направлению тока якоря.
Рисунок 3.8 – Электромагнитный момент машин постоянного тока
Таким образом, в работающей машине постоянного тока всегда неразрывно
действуют и закон электромагнитной индукции, и закон Ампера, однако в режиме
генератора первичным является закон электромагнитной индукции, вторичным —
закон Ампера, а в режиме двигателя — наоборот. В этом единстве заложен
п р и н ц и п о б р а т и м о с т и электрических машин, причем электрической
машине присуще саморегулирование при изменении нагрузки.
По закону Ампера электромагнитная сила, действующая на каждый