Кулик Ю.А. Электрические машины
Подождите немного. Документ загружается.
достаточной магнитной индукции в зазоре требуется большая энергия возбуждения, что
приводит к увеличению габаритов и веса двигателей с печатными обмотками.
Рис. 2.77. Механические характеристики двигателя с печатной обмоткой: 1 — немагнитный диск из
изоляционного материала; 2 — алюминиевый диск
ВОПРОСЫ
1. Может ли обыкновенный двигатель постоянного тока работать в системах автоматического
регулирования как исполнительный? Чем различаются режимы работы исполнительного и обычного
двигателей? Почему исполнительные двигатели делают с ненасыщенной магнитной системой?
2. Почему наиболее распространенным является якорное управление? В каких случаях применяется
полюсное управление? В каком соотношении находятся электромеханическая и электромагнитная
постоянные времени? Почему при полюсном управлении коэффициент сигнала влияет на постоянную
времени?
3. Что такое коэффициент сигнала? Как влияет увеличение коэффициента сигнала на скорость вращения
двигателей при якорном и полюсном управлении? Как влияет увеличение коэффициента сигнала на
пусковой момент двигателей при якорном и полюсном управлении?
4. Почему двигатели с печатной схемой обмотки имеют малый момент инерции? В чем состоит отличие
печатной обмотки от обычной? В чем состоит конструктивное отличие двигателя с печатной обмоткой,
имеющего якорь в виде диска, от двигателя с полым якорем? Для каких целей иногда диск якоря с печатной
обмоткой делают из алюминия?
121
§ 2.9. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ КОЛЛЕКТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Общие сведения. Универсальным двигателем называется однофазный коллекторный
двигатель последовательного возбуждения, предназначенный для работы от сети
переменного или постоянного тока. В режиме номинальной нагрузки двигатель имеет
одинаковую скорость вращения при работе на переменном и постоянном токах.
Машина постоянного тока с самовозбуждением принципиально может работать от сети
переменного тока, так как при изменении направления тока якоря изменяется направление
потока обмотки возбуждения, вследствие чего вращающий момент действует в ту же
сторону. Однако такая машина имела бы большие магнитные потери и малый вращающий
момент. Для получения меньшего сдвига по фазе между током якоря и потоком
возбуждения универсальный коллекторный двигатель выполняется только с
последовательным возбуждением.
Якорь универсального двигателя идентичен якорю машин постоянного тока. Для
уменьшения магнитных потерь вся магнитная система универсального двигателя, включая
полюса и ярмо, набирается из изолированных листов электротехнической стали. Обычно
обмотка возбуждения ОВ имеет отпайку (рис. 2.78), позволяющую при работе от сети
переменного тока уменьшать число витков. Двигатели не имеют дополнительных
полюсов и компенсационной обмотки. Для подавления радиопомех предусматриваются
фильтры, обычно в виде конденсаторов, включаемых между токопроводящими зажимами
и корпусом машины.
Универсальные двигатели дают возможность при питании от сети переменного тока
получить весьма высокую скорость вращения и позволяют плавно ее регулировать.
Двигатели выполняются на скорости вращения до 40 000 об/мин. Вследствие
быстроходности
они имеют малые размеры и вес. Пусковой момент двигателей большой, так как их
обмотка возбуждения является последовательной.
Векторная диаграмма при работе от сети переменного тока.
Временная векторная
диаграмма показывает значение и фазу синусоидально изменяющихся во времени
величин, характеризующих установившийся рабочий процесс. Модуль вектора диаграммы
численно равен амплитуде величины, которую он представляет. Принято считать, что все
векторы диаграммы вращаются против часовой стрелки с угловой скоростью ω. Проекция
вектора на вертикальную
122
Рис. 2.78. Схема универсального коллекторного двигателя
Рис. 2.79. Векторная диаграмма коллекторного двигателя: а — векторы приведены к началу координат; б —
собственно векторная диаграмма
ось дает мгновенное значение синусоидальной величины, которую изображает вектор. В
некоторых случаях удобно считать векторы неподвижными, а ось вращающейся.
Углы расположения векторов на временной диаграмме показывают не пространственное
направление действия, а временную фазу. На диаграмме 360 геометрических градусов
соответствует полному периоду времени. Величины, отстающие по фазе на полпериода,
изображаются параллельными, противоположно направленными векторами.
При работе универсаль
ного двигателя на переменном токе поток Ф
в
, создаваемый
обмоткой возбуждения, пульсирует с частотой сети. Так как в стали магнитопровода
имеются потери, то поток Ф
в
отстает от тока I на угол β (рис. 2.79, а).
123
Подставляя эти равенства в формулу (2.5), находим выражение Вращающего момента
универсального коллекторного двигателя при питании его от сети переменного тока:
Из (2.44) следует, что момент М коллекторного двигателя складывается из постоянной
составляющей М
ср
и периодической составляющей М
пер
, которая пульсирует во времени с
двойной частотой сети (рис. 2.80). Момент имеет положительное значение на отрезке
времени, соответствующем углу π — β, и отрицательное — на отрезке, соответствующем
углу β. Вследствие механической инерции якорь вращается практически равномерно.
Величина постоянной составляющей пропорциональна косинусу угла β между потоком и
током ротора. Для уменьшения угла β универсальных двигателях применяют
последовательное возбуждение В этом сл
учае токи обмоток возбуждения и якоря
находятся в фазе.
Особенности коммутации при работе универсального двигателя, на переменном
токе. При работе универсального двигателя на пе-
ременном токе процесс коммутации значительно усложняется тем, что, кроме реактивной
э. д. с, в коммутируемой секции индуктируется трансформаторная э. д. с, возникающая в
124
результате трансформаторного воздействия обмотки возбуждения на якорную. Величина
трансформаторной э. д. с. зависит от положения щеток и не зависит от скорости вращения,
якоря. Обычно щетки универсального коллекторного двигателя устанавливают на
геометрической нейтрали. В этом случае стороны коммутируемой секции находятся на
нейтрали, секция охватывает весь поток возбуж-
Рис. 2.80. Момент коллекторного двигателя при питании от сети переменного тока
Рис. 2.81. Изменение тока при коммутации универсального двигателя, работающего от сети переменного
тока
дения, и трансформаторная э. д. с. имеет максимальное значение. Все это весьма
затрудняет коммутацию.
Если скорость вращения якоря отлична от синхронной, то коммутация происходит при
различных значениях тока i
a
параллельной цепи (рис. 2.81). Реактивная э. д. с. зависит от
величины, которую имеет ток i
a
в момент перехода секции из одной параллельной ветви в
другую. В момент, когда ток i
a
параллельной ветви имеет амплитудное значение,
реактивная э. д. с. достигает максимума и равна нулю при i
a
= 0.
Реактивная э. д. с. находится в фазе с током двигателя. Трансформаторная э. д. с. отстает
от потока возбуждения на четверть периода. Таким образом трансформаторная и
реактивная э. д. с. сдвинуты по фазе почти на четверть периода.
Для получения удовлетворительной коммутации ограничивают значение
трансформаторной э. д. с, которая не должна превышать 3 в. С целью ограничения тока в
коммутируемой секции применяют твердые щетки, имеющие большое переходное
сопротивление.
Рабочие характеристики. Рабочие характеристики определяют зависимость скорости
вращения п, тока I, к. п. д. η и коэффициента мощности cos φ от момента М двигателя, т. е.
п, I, η, cos φ = f(M).
125
На рис. 2.82 представлены рабочие характеристики универсального двигателя при
питании его от сети переменного и постоянного
токов. Характеристики показывают, что при номинальном моменте на валу двигатель
развивает одинаковую скорость вращения при питании его от сети переменного и
постоянного токов. Механическая характеристика п = f(M) при работе на переменном токе
имеет бóльший наклон. Это объясняется увеличением cos φ при увеличении скорости
вращения. Коэффициент полезного действия η при работе двигателя на переменном токе
ниже, а потребляемый из
сети ток I больше. Активная составляющая переменного тока больше полного тока при
работе на постоянном токе на величину составляющей, вызванной потерями в стали
машины.
Рис. 2.82. Рабочие характеристики универсального двигателя:
----- при работе на переменном токе;
- - - при работе на постоянном токе
Ухудшение характеристик двигателя при его питании от сети переменного тока связано с
влиянием индуктивного сопротиления Σx обмоток якоря и возбуждения. При бóльшей
скорости вращения двигатель имеет большую величину э. д. с. вращения и меньшее
относительное значение падения напряжения в индуктивных сопротивлениях Σx, поэтому
чем выше скорость вращения, тем ближе друг к другу характеристики на переменном и
постоянном токах. С целью сближения характеристик уменьшают число витков обмотки
возбуждения при работе двигателя на переменном токе, что уменьшает Σx.
Искрение под щетками, радиопомехи и шум универсального двигателя при работе на
переменном токе значительно больше.
ВОПРОСЫ
1. Какие особенности характеризуют процессы в универсальном двигателе при работе от сети переменного
тока?
126
2. При каких условиях момент универсального двигателя в течение всего периода изменения переменного
тока имел бы положительное значение?
3. Почему в универсальных двигателях не применяют параллельного возбуждения?
4. Чем осложняется процесс коммутации при работе двигателя на переменном токе?
5. Почему универсальный коллекторный двигатель нельзя пускать без нагрузки?
127
Глава III
ТРАНСФОРМАТОРЫ
§ 3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Устройство трансформаторов. Трансформатором называется статический
электромагнитный преобразователь переменного тока. При помощи трансформатора в
системах переменного тока удобно изменять напряжение. Несмотря на то, что
трансформатор не имеет вращающихся частей, его рабочий процесс аналогичен
процессам,
Рис. 3.1. Схема однофазного трансформатора: а — стержневого; б — броневого: 1 — первичная обмотка; 2
— вторичная обмотка; 3 — стержень; 4 — ярмо
протекающим в других электрических машинах, так как он основан на явлении
электромагнитной индукции.
Обмотки трансформатора выполняются в виде многовитковых цилиндрических катушек.
Обмотку, присоединенную к питающей сети, называют первичной, а обмотку, к которой
присоединена нагрузка, — вторичной. Для обеспечения лучшей взаимоиндукции
первичная и вторичная обмотки каждой фазы располагаются возможно ближе друг к
другу на общем сердечнике (рис. 3.1), который представляет собой пакет, собранный из
листов электротехнической стали.
Сердечники силовых трансформаторов обычно набираются (шихтуются) из
прямоугольных листов электротехнической стали таким образом, чтобы слои, набранные
различным образом (рис. 3.2, а и
6), чередовались через один (рис. 3.3, а). Листы сердечника стягиваются изолированными
шпильками.
Различают два вида сердечников: стержневой (рис. 3.1, а) и броневой (рис. 3.1, б).
Сердечник броневого типа имеет разветвленную магнитную систему, благодаря чему
поток в стержне 3, на котором расположена обмотка, больше, чем поток в ярме 4. Сердеч-
128
Рис. 3.2. Расположение листов при сборе сердечника трансформатора «внахлестку»
Рис. 3.3. Сборка магнитопровода трансформатора: а) внахлестку; б) встык: 1 — пластины Ш-образного
профиля; 2 — пластины прямоугольного профиля; 3 — стержневые шпильки
ники трансформаторов малых мощностей набираются Ш-образной, П-образной или
тороидальной формы. Пакет сердечника может быть собран внахлестку (рис. 3.3, а) или
встык (рис. 3.3, б). Первому
Рис. 3.4. Ленточные сердечники: а — броневой; б — стержневой; в — тороидальный; г — трехфазный
способу следует отдать предпочтение, так как в этом случае в магнитной цепи образуются
меньшие зазоры.
В последнее время получают распространение сердечники, изготовляемые из узкой ленты
электротехнической стали (рис. 3.4). В большинстве случаев ленточные сердечники
разрезаются на две половины (рис. 3.5), что позволяет надеть на них катушки. После этого
сердечники стягиваются и закрепляются в стянутом виде (рис. 3.6).
Обмотки трансформатора могут располагаться концентрически одна внутри другой или в
чередующемся порядке по высоте стержня магнитопровода, в последнем случае
первичная и вторичная обмотки выполняются в виде дисковых катушек.
В трансформаторах малой мощности применяется многослойная обмотка, которая
наматывается непрерывно вдоль всей длины стержня магнитопровода до получения
заданного числа витков. В некоторых случаях обмотка выполняется из отдельных частей,
намотанных на самостоятельные каркасы. Каждая такая часть обмотки представляет
собой законченную конструктивную деталь, называемую галетой. Галеты надеваются на
стержень магнитопровода по всей его высоте и электрически соедин
яются между собой
129
тем или иным образом. На рис. 3.7 показано устройство однофазного галетного
трансформатора с ленточным сердечником.
Трансформаторы могут иметь несколько вторичных обмоток (две, три и более). На рис.
3.9, б показана схема соединенных в звезду обмоток трехфазного трансформатора.
Обмотка A
1
B
1
C
1
первичная, А
2
В
2
С
2
— вторичная.
По способу охлаждения трансформаторы разделяются на масляные (обмотки которых
погружены в масло) и сухие (охлаждаемые воздухом).
Нашими заводами выпускаются трансформаторы мощностью, от долей вольт-ампера и
напряжением от одного вольта до сотен и
Рис. 3.5. Разрезанный ленточный сердечник
Рис. 3.6. Общий вид броневого трансформатора с ленточным сердечником
Рис. 3.7. Устройство однофазного трансформатора мощностью 30 вт: 1 — каркас; 2 — первичная обмотка; 3
и 4 — вторичные обмотки; 5 — стяжной хомутик
130