Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины т 2

Подождите немного. Документ загружается.

260

Та

лица

ависимость частоты вращения ВИД от вариантов конфигурации

магнитной системы ИМ

Частота

вращения n,

об/мин

Число

фаз m

Число зубцов Частота возбуждения фаз f , Гц

статора

ротора

симметричная

одиночная

коммутация

симметрич-

ная парная

коммутация

несимметрич-

ная коммута-

ция

500

122

50/3 25/3 100/9

600 20 10 40/3

750 25 25/2 50/3

1000 100/3 50/3 200/9

1500 50 25 100/3

3000 100 50 200/3

500

242

50/3 25/3 100/9

600 20 10 40/3

750 25 25/2 50/3

1000 100/3 50/3 200/9

1500 50 25 100/3

3000 100 50 200/3

500

364

100/3 50/3 200/9

600 40 20 80/3

750 50 25 100/3

1000 200/3 100/3 400/9

1500 100 50 200/3

3000 200 100 400/3

500

486

50 25 100/3

600 60 60 40

750 75 75/2 50

1000 100 50 200/3

1500 150 75 100

3000 300 150 200

500

5108

200/3 100/3 400/9

600 80 40 160/3

750 100 50 200/3

1000 400/3 200/3 400/9

1500 200 100 200/3

3000 400 200 800/3

261

дальными и зависящими от угла включения

(рис. 63.24). Для небольших частот враще-

ния в кривых токов четко прослеживаются

три зоны: нарастание тока, замедление на-

растания тока при возрастании ЭДС катушек

статора и спадание тока при подаче обратно-

го напряжения. На рисунке возрастающие

номера кривых соответствуют все более

позднему включению фазы.

При высоких скоростях вращения ис-

пользуется регулирование изменением углов включения и коммута-

ции напряжения, т.е. так называемое «фазовое» регулирование. При

сравнительно низких скоростях, когда индуктивные сопротивления

обмоток и индуктируемая ЭДС и противоЭДС существенно падают,

для ограничения тока и развиваемого момента прибегают к широтно-

импульсному (ШИМ) регулированию тока фаз.

кончание та

л.

Частота

вращения n,

об/мин

Число

фаз m

Число зубцов Частота возбуждения фаз f , Гц

статора

ротора

симметричная

одиночная

коммутация

симметрич-

ная парная

коммутация

несимметрич-

ная коммута-

ция

500

61210

250/3 125/3 500/9

600 100 50 200/3

750 125 125/2 250/3

1000 500/3 250/3 1000/9

1500 250 125 500/3

3000 500 250 1000/3

500

71412

100 50 200/3

600 120 60 80

750 150 75 100

1000 200 100 400/3

1500 300 150 200

3000 600 300 400

i,A



–20° –10°

Рис. 63.24. Формы кривых токов обмоток ВИД для

разных углов включения при небольшой частоте

вращения

262

Токи фаз ВИД резко несинусоидальны, что является дополнитель-

ным обстоятельством, препятствующим применению к ВИД традици-

онной теории реактивных машин, опирающейся на базу гармониче-

ских представлений. В данных условиях теряют смысл обычные опре-

деления коэффициента мощности, активной и реактивной энергии,

индуктивных сопротивлений обмоток по продольной и поперечной

осям бегущего гармонического поля. Наиболее подходящим является

метод анализа на основе мгновенных значений токов, напряжений,

ЭДС, магнитных потоков и потокосцеплений обмоток, а также усилий,

действующих на зубцы ВИД.

263

Часть шестая. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

И КОММУТАТОРНЫЕ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Глава шестьдесят четвертая

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

64.1. Назначение и области применения машин

постоянноо тоа

В этой части рассматриваются электрические машины, присоеди-

ненные к сети через коммутатор. Коммутатор, преобразующий посто-

янный ток в переменный, имеется в любой машине постоянного тока,

поскольку в якорной обмотке любой электрической машины должен

протекать переменный ток (только в этом случае в машине происходит

непрерывное электромеханическое преобразование энергии). Наибо-

лее широкое применение получил механический коммутатор, выпол-

ненный в виде коллектора с системой щеток. Машины с таким комму-

татором получили название коммутаторных. Наряду с механическим

коммутатором в настоящее время все большее распространение полу-

чают коммутаторы с управляемыми и неуправляемыми вентилями. В

последние годы такие коммутаторы выполняются почти исключитель-

но на полупроводниковых приборах (диодах, тиристорах, транзисто-

рах и т.п.).

Машиной постоянного тока в соответствии с общепринятой тер-

минологией называют машину с механическим коммутатором-кол-

лектором. Специальные коллекторные машины постоянного тока, а

также машины постоянного тока с полупроводниковыми коммутато-

рами рассмотрены в гл. 65 и 67.

Машины постоянного тока применяются в качестве двигателей и

генераторов.

Двигатели постоянного тока (ДПТ) обладают большой глубиной

регулирования частоты вращения, сохраняют во всем диапазоне регу-

лирования высокий КПД и могут иметь механические характеристики,

отвечающие специальным требованиям. Поэтому, несмотря на то что

двигатели постоянного тока в 2—3 раза дороже, чем асинхронные ко-

роткозамкнутые двигатели, они находят применение во всех тех случа-

ях, когда их особые свойства имеют решающее значение. Двигатели

постоянного тока широко используются в электрической тяге (магист-

ральные электровозы, рабочие двигатели на тепловозах, пригородные

264

электропоезда; метрополитен; трамвай, троллейбус и др.), где требуют-

ся мягкие механические характеристики и широкие пределы регулиро-

вания частоты вращения. Так называемые крановые двигатели посто-

янного тока часто применяются в приводе различных подъемных уст-

ройств, где требуются такие же свойства. С помощью мощных двигате-

лей постоянного тока (до 12 000 кВт) приводятся в действие прокатные

станы (слябинги и блюминги), многие другие ДПТ используются в ре-

гулируемом металлургическом электроприводе. Крупные двигатели

постоянного тока приводят во вращение гребные винты на судах с элек-

трической передачей энергии. Выпускаемые массовыми сериями дви-

гатели постоянного тока общепромышленного применения использу-

ются в приводах, требующих регулирования частоты вращения. В по-

давляющем большинстве автомобилей, тракторов, самолетов и других

летательных аппаратов, имеющих систему электропитания на постоян-

ном токе, все вспомогательные устройства приводятся в действие дви-

гателями постоянного тока. Двигатели постоянного тока небольшой

мощности (от долей ватта до нескольких десятков ватт) используются в

различных автоматических устройствах.

Постоянный ток для питания двигателей получается с помощью

генераторов постоянного тока или выпрямительных установок, пре-

образующих переменный ток в постоянный.

Генераторы постоянного тока являются источником питания для

промышленных установок, потребляющих постоянный ток низкого

напряжения (электролизные и гальванические установки).

Питание обмоток возбуждения синхронных генераторов осущест-

вляется во многих случаях от генераторов постоянного тока (возбуди-

телей).

Широко также распространены генераторы постоянного тока спе-

циального исполнения, обладающие особыми свойствами (свароч-

ные, генераторы для освещения поездов, электромашинные усилите-

ли постоянного тока и пр.).

64.2. Устройство и принцип действия машин постоянноо

тоа

Машина постоянного тока представляет собой электрическую

машину, обмотка якоря которой соединяется с электрической се-

тью постоянного тока с помощью механического преобразователя

частоты.

Для упрощения конструкции преобразователя частоты машина

должна иметь обращенное исполнение: обмотка возбуждения, питае-

мая постоянным током, располагается на статоре; обмотка якоря, в

которой при вращении индуктируется переменная ЭДС, — на роторе.

265

Это дает возможность выпол-

нить преобразователь частоты в

виде вращающегося коллекто-

ра, к пластинам которого при-

соединены выводы от секций

обмотки якоря, и системы не-

подвижных щеток, контакти-

рующих с пластинами коллек-

тора.

Устройство машины посто-

янного тока. Устройство маши-

ны постоянного тока показано

на рис. 64.1. Статор машины

(рис. 64.2) состоит из станины 6,

сердечников главных 1 и допол-

нительных 3 полюсов и обмоток возбуждения, катушки которых ох-

ватывают сердечники полюсов. Число главных полюсов зависит от

мощности и частоты вращения. Обычно имеется четыре или шесть

полюсов: в машинах малой мощности — два, в очень крупных маши-

нах — до нескольких десятков. На рис. 64.2 показан статор четырех-

полюсной машины. Сердечники главных полюсов 1 собираются из

листов конструкционной стали толщиной 1—2 мм, стянутых шпиль-

ками 8. Их крепление к станине осуществляется в данном случае

шпильками 9, ввернутыми в тело сердечника, и гайками 10.

рд



pд

mд



тд

=d

Рис. 64.1. Устройство машины постоянного тока:

1 — станина; 2 — пакет магнитопровода якоря; 3 — обмоткодержатель; 4 — об-

мотки якоря; 5 — коллектор; 6 — вал; 7 — сердечник главного полюса; 8 — об-

мотки возбуждения; 9 — сердечник дополнительного полюса; 10 — обмотки

дополнительного полюса

Рис. 64.2. Статор машины постоянного

тока

266

Сердечники дополнительных

полюсов выполнены стальными

массивными. Они крепятся к ста-

нине болтами 4. На главных полю-

сах устанавливаются катушки од-

ной или нескольких обмоток воз-

буждения (последовательная об-

мотка возбуждения 2 обтекается

выпрямленным током якоря, парал-

лельная 7 включается на щетки

якоря, независимая питается от

внешней сети постоянного тока). Катушки дополнительных полюсов

5 включаются последовательно с обмоткой якоря.

Магнитопровод якоря (рис. 64.3) состоит из одного (2 на рис. 64.3)

или нескольких пакетов, набранных из лакированных листов электро-

технической стали толщиной 0,5 мм. Между пакетами имеются ради-

альные вентиляционные каналы (на рис. 64.3 не предусмотрены).

Магнитопровод удерживается в спрессованном состоянии нажимны-

ми кольцами 1 и 3, играющими одновременно роль обмоткодержате-

лей. Магнитопровод якоря напрессовывается либо непосредственно

на вал 4 (как на рис. 64.3), либо на звездообразною втулку. При внеш-

нем диаметре D > 100 см магнитопровод собирается из сегментов.

В пазы магнитопровода якоря укладываются изолированные сек-

ции двухслойной якорной обмотки, нижние стороны которых распо-

лагаются на дне пазов, верхние — в следующем слое (рис. 64.4). Вы-

воды секций 4, 6 (рис. 64.5) впаиваются в петушки-обоймы 3 коллек-

торных пластин 1. Центробежная сила выводов 4, 6 воспринимается

бандажом 5. Таким образом, вывод нижней стороны 6 одной из сек-

ций соединяется с выводом верхней стороны 4 другой секции и все

секции объединяются в замкнутую на себя обмотку (схемы обмоток

приводятся в § 64.4).

Коллектор (рис. 64.5) состоит из ряда коллекторных пластин 1, из-

готовленных из меди. Пластины изолируются друг от друга проклад-

ками 12 из миканита и от корпуса конусными и цилиндрическими ми-

канитовыми шайбами 2. Пакет коллекторных пластин удерживается в

запрессованном состоянии втулкой 8 и конусными шайбами 7 и 11,

которые фиксируются гайкой 10. Коллектор в сборе напрессовывает-

ся на вал 9, и его наружная поверхность обрабатывается окончатель-

но совместно с поверхностями для посадки подшипников. Такая

обработка придает коллектору правильную цилиндрическую форму.

Рис. 64.3. Необмотанный якорь

267

Электрическое соединение между обмоткой якоря и сетью посто-

янного тока осуществляется системой щеток, установленных в щет-

кодержателях (рис. 64.6). В конструкции щеткодержателя преду-

сматриваются возможность регулирования давления в контакте и ав-

томатическое поддержание давления по мере износа щетки. В танген-

циальном направлении щетка обычно перекрывает две-три коллек-

торные пластины. В осевом направлении длина щетки не превышает

3—4 см, и для получения допустимой плотности тока в скользящем

Пазоваячасть

верхняясторона

Пазоваячасть

верхняясторона

Пазоваячасть

нижняясторона

Пазоваячасть

нижняясторона

Лобоваячасть,

передняя

Лобоваячасть,

передняя

Лобовая

часть,задняя

Лобовая

часть,задняя

Голова

задняя

Голова

задняя

б)

Рис. 64.4. Одновитковые секции обмотки якоря:

а — волновая обмотка; б — петлевая обмотка

Рис. 64.5. Присоединение секций обмотки якоря к коллектору

268

контакте на одном щеточном пальце ус-

танавливают рядом несколько щетко-

держателей. Общее количество щеточ-

ных пальцев равно числу полюсов (по-

ловина из них имеет положительную

полярность, остальные — отрицатель-

ную). Пальцы щеткодержателей закреп-

ляются в траверсе и изолируются от последней изоляционными втул-

ками. Траверса, в свою очередь, крепится к подшипниковому щиту

или к станине (в машинах со стояковыми подшипниками). Щеточные

пальцы одной полярности соединяются между собой сборными ши-

нами.

Принцип действия машины постоянного тока. Постоянное

магнитное поле ненагруженной машины (I

= 0) создается только

МДС обмотки возбуждения, обтекаемой постоянным током I

. При

вращении якоря с частотой n в его обмотке индуктируется ЭДС

частотой f = pΩ/(2π) или pn. С помощью коллектора и щеток эта

ЭДС выпрямляется, и на щетках появляется постоянная ЭДС.

Если к щеткам машины присоединена сеть постоянного тока или

омическое сопротивление, то в обмотке якоря появляется ток, кото-

рый зависит от соотношения между ЭДС и напряжением сети. При

работе в генераторном режиме (вращение по стрелке Г на рис. 64.7)

ЭДС больше, чем напряжение сети (E > U ), ток якоря совпадает по на-

правлению с ЭДС и механическая энергия, подводимая через вал ма-

шины, преобразуется в электрическую энергию, поступающую в

сеть.

При работе в режиме двигателя (вращение по стрелке Д) ЭДС

меньше, чем напряжение сети (E > U ), ток якоря совпадает по направ-

лению с напряжением сети, а электрическая энергия, поступающая из

сети, преобразуется в механическую энергию, передаваемую через

вал исполнительной машине.

Когда машина нагружена и работает в режиме двигателя или ге-

нератора (I

≠ 0), магнитное поле в ней создается не только МДС тока

независимой или параллельной обмотки возбуждения, но и МДС

последовательной обмотки возбуждения и обмотки якоря, по кото-

рым протекает ток якоря. Это приводит к известному изменению

Рис. 64.6. Щеткодержатель:

1 — щетка; 2 — обойма; 3 — пружина; 4 — за-

жим для крепления к щеточному пальцу; 5 —

гибкий токоподвод к щетке; 6 — нажимной

кронштейн

269

потока и распределе-

ния индукции магнит-

ного поля в зазоре. Как

видно из рис. 64.7, ли-

ния 2—2′, проходящая

через точки на поверх-

ности якоря, в которых

индукция равна нулю

(физическая нейтраль),

смещается на угол β по

отношению к ее поло-

жению 1—1′ при холо-

стом ходе.

64.3. Схемы обмото яоря

В современных машинах постоянного тока применяются так назы-

ваемые барабанные якорные обмотки, проводники которых распола-

гаются в пазах на наружной поверхности магнитопровода якоря. Об-

мотка обычно выполняется двухслойной и образуется из ряда изоли-

рованных секций (см. рис. 64.4), соединенных между собой на кол-

лекторных пластинах (рис. 64.8). Секции состоят из одного (w

= 1,

рис. 64.4, 64.8, а) или из нескольких (w

> 1, рис. 64.8, в) витков (сек-

цию, состоящую из нескольких витков, на схемах обмоток условно

изображают в виде одновитковой секции).

Стороны секции размещаются в пазах в два слоя (на рис. 64.8, б ):

одна из сторон секции лежит в верхнем слое (ВС), другая — в нижнем

(НС). Несколько секций, имеющих общую изоляцию от стенок паза,

образуют катушку обмотки (рис. 64.8, а). Число секций в катушке

обозначается w

. При составлении схемы обмотки ширина секции y

и расстояние между соседними секциями y

измеряются в элементар-

ных пазах, причем под элементарным пазом условно понимается

часть паза якоря, содержащая две расположенные друг под другом

секционные стороны (на рис. 64.8, б номера элементарных пазов обо-

значены цифрами 1, 2, 3, 4 …). Число элементарных пазов якоря Z

совпадает с числом секций в обмотке и равняется числу коллектор-

ных пластин K. Кроме указанных выше параметров якорная обмотка

постоянного тока характеризуется: числом периодов поля p, для кото-

Рис. 64.7. Принцип дейст-

вия машины постоянного

тока