Зайцев А.П. Общая электротехника и электроника. Учебное пособие: Часть II

Подождите немного. Документ загружается.

а)

б)

в)

г)

Рис. 6.20

Конструкция якоря показана на рис. 6.21. На валу 1 находится цилинд-

рический сердечник якоря 3, который с целью снижения потерь от пере-

магничивания и вихревых

токов выполняют шихто-

ванным из тонких стальных

листов. В пазы, располо-

женные на внешней поверх-

ности якоря, помещена об-

мотка якоря 2, выполненная

из медного изолированного

провода. Выводы от обмот-

ки якоря присоединяют пай-

кой к медным пластинам

коллектора 4. Пластины коллектора изолированы друг от друга и от вала.

Коллектор совместно со щетками образует коллекторно-щеточный узел,

обеспечивающий скользящий контакт цепи якоря с внешней цепью.

Обмотки якоря машин постоянного тока имеют отдельные секции с

одинаковыми числами витков. Каждая секция укладывается в два паза сер-

дечника якоря, которые находятся под разными полюсами. Выводы каж-

дой секции соединены с двумя коллекторными пластинами, с каждой из

которых соединяются еще по одному выводу от других секций.

В зависимости от параметров машины применяются различные типы

обмоток якоря, среди которых простейшими являются волновые (рис. 6.22,

а) и петлевые (рис. 6.22, б) обмотки. Они отличаются друг от друга спосо-

бом намотки проводников секций и соединения секций с коллекторными

пластинами.

а) б)

Рис. 6.22

Рис. 6.21

На рис. 6.22 зоны действия главных полюсов заштрихованы.

Главные полюсы имеют полюсные наконечники такой формы, чтобы

воздушный зазор между статором и якорем, а следовательно, и магнитная

индукция, были постоянными. Это обеспечивает постоянную по значению

ЭДС в проводниках вращающегося якоря.

Распределение магнитной индукции вдоль окружности воздушного

зазора показано на рис. 6.23. Кривая индукции имеет форму трапеции.

Рис. 6.23

Для уяснения принципа действия генератора рассмотрим вращающуюся

в неподвижном магнитном поле замкнутую обмотку, проводники активной

части которой условно показаны на поверхности сердечника якоря

(рис. 6.24). Будем считать также, что щетки имеют контакт с проводника-

ми, находящимися под ними.

Из рис. 6.24 видно, что замкнутая

обмотка якоря относительно щеток,

которые размещены на геометриче-

ской нейтрали (на линии, соеди-

няющей точки с нулевым значением

нормальной составляющей магнит-

ной индукции), образует две парал-

лельные ветви. Вследствие этого ток

внешней цепи, называемый током

якоря

i , в соответствии с первым

правилом Кирхгофа будет в два раза

больше тока

пар

i одной из парал-

лельных ветвей. В общем случае

при наличии 2

а параллельных вет-

вей

.aii

паря

У машин с 2

а параллельными

ветвями числа щеток и полюсов

должны быть также равны 2

а.

180

360

Область действия

южного полюса

Область действия

севе

ного полюса

Рис. 6.24

При вращении якоря от постороннего двигателя, например против часо-

вой стрелки, в каждом из проводников верхней параллельной ветви, нахо-

дящейся в зоне действия южного полюса, будет индуктироваться ЭДС од-

ного направления, а в нижней параллельной ветви, находящейся в зоне

действия северного полюса, ЭДС проводников будет иметь другое направ-

ление. Суммарные ЭДС

Е в обеих ветвях имеют постоянную величину и

направлены согласно относительно неподвижных щеток. В этом смысле

коллектор играет роль механического выпрямителя.

Если к якорю подвести напряжение указанной полярности от источника

постоянного тока, то ток якоря изменит направление на противоположное.

Машина будет работать в двигательном режиме, так как ее момент также

изменит направление (см. п. 2.3).

6.3.2 ЭДС и электромагнитный момент машин постоянного тока

ЭДС на щетках генератора равна сумме ЭДС активных проводников,

входящих в параллельную ветвь. Так как реально в каждом проводнике

ветви из-за неравномерного распределения индукции вдоль зазора ЭДС

различны, то необходимо определить среднее значение ЭДС одного про-

водника, разделив магнитный поток

Ф на площадь полюса:

ср

где

– полюсное деление (см. рис. 6.22); l – ширина полюса, равная ак-

тивной длине проводника.

Среднее значение ЭДС одного проводника

,lvBe

срср

где

v – линейная скорость движения проводника.

Обозначив через

р число пар полюсов машины, а через

2 – длину ок-

ружности якоря, выразим линейную скорость движения проводника

v и

ЭДС

ср

e соответственно как:

pnФ

ср

где

n – частота вращения якоря, об/мин.

При полном числе проводников якоря

z число проводников в парал-

лельной ветви будет равно

z/2a, где 2а – число параллельных ветвей.

Тогда ЭДС машины

,nФc

zpnФ

eср

⋅

260

(6.35)

где

260

⋅

– коэффициент ЭДС, зависящий от конструктивных

особенностей машины.

Таким образом заключаем, что ЭДС машины постоянного тока пропор-

циональна произведению магнитного потока на скорость вращения якоря.

В рабочем состоянии в машине постоянного тока возникает взаимодей-

ствие тока якоря с потоком возбуждения, в результате чего на каждый ак-

тивный проводник воздействует электромагнитная сила

BlIF

эм

= , на-

правление которой определяется правилом левой руки. Поскольку провод-

ники верхней параллельной ветви находятся в зоне действия северного по-

люса, а проводники нижней параллельной ветви – в зоне действия южного

полюса (рис. 6.22), то при различных направлениях токов в активных про-

водниках в зонах действия разноименных магнитных полюсов электромаг-

нитная сила в каждом проводнике направлена на создание момента враще-

ния в одну сторону.

Среднее значение силы, действующей на проводник, найдем через

среднее значение индукции:

ФI

lIBF

срср

и среднее значение момента

ФIdd

срср

где

d – диаметр якоря.

Имея ввиду, что

2= откуда ,

= подстановкой

в предыду-

щую формулу получим

ФIp

ср

Выразив ток проводника (ток параллельной ветви) рассмотренным ранее

соотношением

,aII

2= выразим полный электромагнитный момент как

,ФIсФI

zМM

ямясрэм

===

(6.36)

где

= – коэффициент момента, зависящий от конструктивных дан-

ных машины.

Из (6.36) следует, что электромагнитный момент машины постоянного

тока пропорционален произведению потока возбуждения на ток якоря.

Вследствие обратимости машины постоянного тока выражение для мо-

мента имеет одинаковый вид как для генераторного, так и для двигатель-

ного режимов ее работы.

6.3.3 Реакция якоря в машинах постоянного тока

Если машина постоянного тока работает без нагрузки, например, гене-

ратор в режиме холостого хода или двигатель с отключенным от источни-

ка питания якорем, то магнитный поток создается только обмоткой воз-

буждения. В этом случае магнитное поле симметрично относительно гео-

метрической нейтрали

ГН и оси магнитных полюсов.

При нагрузке результирующее магнитное поле создается совместным

действием обмотки возбуждения и обмотки якоря, которая при прохожде-

нии по ней тока якоря возбуждает свой магнитный поток. Магнитный по-

ток обмотки якоря симметричен относительно геометрической нейтрали.

Каждое из магнитных полей в отдельности показано на рис. 6.25.

Рис. 6.25

На рис. 6.25 направления линий магнитного потока якоря не указаны

стрелками, так как эти направления зависят от режима работы машины –

генераторного или двигательного.

Воздействие поля обмотки якоря на поле обмотки возбуждения называ-

ется реакцией якоря.

ГН

На рис.6.26 показано результирующее магнитное поле машины, рабо-

тающей в генераторном режиме с указанным направлением вращения яко-

ря. В результате наложения полей под набегающим краем каждого полюса

линии индукции имеют встречное направление, а под сбегающим краем –

согласное. Это приводит к уменьшению индукции под набегающим краем

полюса и к увеличению ее под сбегающим краем. Результирующее поле

поворачивается в сердечнике якоря, а нормальная составляющая индукции

для проводников, находящихся на геометрической нейтрали, не равна ну-

лю, так как точки с нулевым значением индукции сместились в направле-

нии вращения якоря на угол

. Линия, проходящая через эти точки, назы-

вается физической нейтралью

ФН.

Рис. 6.26

Смещение поля у двигателя происходит против направления вращения

якоря.

В результате влияния реакции якоря в секциях обмотки якоря, находя-

щихся на геометрической нейтрали, возникает ЭДС. Между коллекторны-

ми пластинами, соединенными с секциями, в которых ЭДС не равна нулю,

возникает искрение и разрушение коллектора. Для исключения этого явле-

ния щетки устанавливают на физической нейтрали

ФН.

В машинах мощностью 1 кВт и более для снижения искрения коллекто-

ра устанавливаются дополнительные полюсы на геометрической нейтрали,

обмотки которых для компенсации поперечной составляющей реакции

якоря включаются последовательно в цепь якоря. Щетки в машинах с до-

полнительными полюсами располагаются на геометрической нейтрали.

Подчеркнем, что магнитное поле машины постоянного тока неподвиж-

но в пространстве.

ГН

ФН

6.3.4 Свойства генератора независимого возбуждения

Генераторы постоянного тока могут иметь независимое, параллельное

или смешанное возбуждение. Генератор независимого возбуждения наи-

более широко распространен благодаря простоте регулирования напряже-

ния на его выходе за счет подключения обмотки возбуждения к различного

рода автоматическим регуляторам.

Генератор параллельного возбуждения не требует дополнительного ис-

точника питания обмотки возбуждения, в чем заключается его достоинст-

во, но обладает худшими регулировочными свойствами.

Генератор смешанного возбуждения за счет последовательной обмотки

возбуждения обеспечивает более стабильное напряжение на выходных за-

жимах при изменении нагрузки в широких пределах.

Рассмотрим свойства только генератора независимого возбуждения.

Схема включения генератора независимого возбуждения показана на рис.

6.27.

Рис. 6.27

Основной магнитный поток создается расположенной на главных по-

люсах обмоткой независимого возбуждения

OB , имеющей число витков w

и активное сопротивление

r . Обмотка возбуждения подключена к источ-

нику напряжения

U . Номинальное значение напряжения возбуждения

либо равно, либо несколько меньше номинального напряжения якоря. В

первом случае независимая обмотка возбуждения может включаться по

параллельной схеме.

В цепи обмотки возбуждения может быть включен реостат

рег

для ре-

гулирования тока возбуждения, а следовательно, и напряжения

U на зажи-

мах генератора.

рег

−

При вращении якоря от постороннего двигателя любого типа (электри-

ческого, внутреннего сгорания, ветрового и т.п.) под действием потока

возбуждения в обмотке якоря индуктируется ЭДС Е, и на зажимах генера-

тора (на сопротивлении нагрузки

r ) появляется напряжение.

К основным характеристикам генераторов относятся характеристика

холостого хода, внешняя и регулировочная характеристики.

Характеристика холостого хода

)I(E

представляет собой зависимость

ЭДС якоря от тока возбуждения при разомкнутой цепи якоря и постоянной

номинальной скорости вращения

n якоря. Характеристика показывает, как

необходимо изменять ток возбуждения, чтобы получить заданные значе-

ния ЭДС.

В соответствии с выражением (6.35) ЭДС

.nФcE

У генератора не-

зависимого возбуждения поток

),I(f)wI(fФ

ввв 12

поэтому ЭДС

)I(nfcE

вe 1

повторяет в некотором масштабе зависимость

)wI(fФ

вв

.Требуемая

величина ЭДС может быть установлена с помощью реостата в цепи обмот-

ки возбуждения.

Внешняя ха-

рактеристика ге-

нератора пред-

ставляет собой

зависимость на-

пряжения на вы-

ходных зажимах

генератора (на-

пряжения на на-

грузке) от тока

нагрузки

U(I

)

при некоторых

постоянных зна-

чениях тока воз-

буждения и ско-

рости вращения якоря (рис. 6.29). При номинальных значениях

номв

ном

n внешняя характеристика называется номинальной.

Выражение для характеристики

U(I

) можно получить, составив урав-

нение но второму правилу Кирхгофа для контура якорной цепи (рис. 6.27):

,rIEU

−

(6.37)

,Ф

номв

Рис. 6.28

номном

E,Ф

ном

Рис. 6.30

где

r – сопротивление обмоток якоря (собственно обмотки якоря, обмот-

ки дополнительных полюсов и компенсационной обмотки) и щеточного

контакта.

Уравнение внешней характеристики (6.37) соответствует прямой ли-

нии, которая на рис. 6.29 представлена характеристикой

1. Реально из-за

влияния реакции якоря ЭДС немного снижается с увеличением тока якоря,

и внешняя характеристика

становится нелинейной (ха-

рактеристика

2). Характери-

стики

3 и 4 соответствуют

меньшим значениям тока

возбуждения.

Семейство внешних ха-

рактеристик генератора не-

зависимого возбуждения

свидетельствует о простоте

регулирования напряжения

на нагрузке за счет измене-

ния тока возбуждения. Это

свойство генератора незави-

симого возбуждения обес-

печивает ему широкое применение в автоматических системах в качестве

управляемого источника напряжения. В автоматических системах генера-

тор выполняет также функции усилителя мощности, так как мощность в

цепи обмотки возбуждения составляет несколько процентов от его номи-

нальной мощности.

Регулировочная характери-

стика (рис. 6.30) представляет

собой зависимость тока возбуж-

дения от тока якоря

)I(I

при

постоянных скорости вращения

якоря и напряжении на нагрузке.

Нелинейность регулировочной

характеристики является след-

ствием нелинейности внешней

характеристики генератора. Ре-

гулировочная характеристика

обычно строится опытным пу-

тем.

Недостатком генераторов не-

зависимого возбуждения является необходимость дополнительного источ-

ника напряжения для цепи обмотки возбуждения.

ном

Рис. 6.29

ном