Принципы действия электрической машины постоянного тока. Петлевые обмотки якорей машин постоянного тока

 

НАРЫНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ им. С.наАМаТОВа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТЕМА: Принципы действия электрической машины постоянного тока. Петлевые обмотки якорей машин постоянного тока

 

ВЫПОЛНИЛ:    Мамымтов А.Ж.

ПРОВЕРИЛ:    Сулайманов Б.Б..

 

Содержание

1.1 Принципы действия электрической машины постоянного тока

1.2 Классификация обмоток якоря

1.3 Реакция якоря

2.1 Регулирование активной мощности СГ

2.2 Угловые характеристики активной мощности

Литература

 

 

1.1 Принцип действия электрической машины постоянного тока

 

Характерным признаком машин постоянного  тока является наличие у них коллектора — механического преобразователя  переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, так как только в этом случае в машине происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии.

Рассмотрим принцип действия коллекторного  генератора постоянного тока. На рис. 1 изображена упрощенная модель такого генератора: между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть генератора — якорь, вал которого посредством шкива и ременной передачи механически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан) — источником механической энергии. В двух продольных пазах на сердечнике якоря расположена обмотка в виде одного витка a,b,c,d, концы которого присоединены к двум медным изолированным друг от друга полукольцам, образующим простейший коллектор. На поверхность коллектора наложены щетки А и В, осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие генератор с внешней цепью, куда включена нагрузка сопротивлением R.

Предположим, что приводной двигатель  вращает якорь генератора против часовой стрелки, тогда в витке  на якоре, вращающемся в магнитном  поле постоянного магнита, наводится  ЭДС, мгновенное значение которой  , а направление для положения якоря, изображенного на рисунке, указано стрелками.

 

 

Рис. 1. Упрощенная модель коллекторной машины

 

В процессе работы генератора якорь  вращается и виток a,b,c,d, занимает разное пространственное положение, поэтому в обмотке якоря наводится переменная ЭДС. Если бы в машине не было коллектора, то ток во внешней цепи (в нагрузке R) был бы переменным, но посредством коллектора и щеток переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток во внешней цепи генератора, т. е. ток, неизменный по направлению. При положении витка якоря, показанном на рис. 24.1, ток во внешней цепи (в нагрузке) направлен от щетки А к щетке В; следовательно, щетка А является положительной, а щетка В -- отрицательной. После поворота якоря на 180⁰ (рис. 2, а) направление тока в витке якоря изменится на обратное, однако полярность щеток, а следовательно, и направление не тока во внешней цепи (в нагрузке) останутся неизменными (рис. 2, б). Объясняется это тем, что в тот момент, когда ток в витке якоря меняет свое направление, происходит смена коллекторных пластин под щетками. Таким образом, под щеткой А всегда находится пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным магнитным полюсом, а под щеткой В -пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. Благодаря этому полярность щеток генератора остается неизменной независимо от положения витка якоря. Что же касается пульсаций тока во внешней цепи, то они намного ослабится при увеличении числа витков в обмотке якоря при их равномерном распределении по поверхности якоря и соответствующем увеличении числа пластин в коллекторе.

 

Рис. 2. К принципу действия генератора постоянного тока:

___________ ЭДС и ток в обмотке якоря;

_ _ _ _ _ _ _ ЭДС и ток во внешней цепи генератора

 

В соответствии с принципом обратимости  электрических машин упрощенная модель машины постоянного тока может  быть использована в качестве двигателя  постоянного тока. Для этого необходимо отключить нагрузку генератора R и подвести к щеткам машины напряжение от источника постоянного тока. Например, если к щетке А подключить зажим «плюс», а к щетке В «минус», то в обмотке якоря появится ток , направление которого показано на рис. 3. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем постоянного магнита (полем возбуждения) появятся электромагнитные силы , создающие на якоре электромагнитный момент М и вращающие его против часовой стрелки. После поворота якоря на 180⁰ электромагнитные силы не изменят своего направления, так как одновременно с переходом каждого проводника обмотки якоря из зоны одного магнитного полюса в зону другого полюса в этих проводниках меняется направление тока.

 

 

Рис. 3. К принципу действия двигателя  постоянного тока

 

Таким образом, назначение коллектора и щеток в двигателе постоянного  тока — изменять направление тока в проводниках обмотки якоря  при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности.

Рассмотренная упрощенная модель машины постоянного тока не обеспечивает двигателю  устойчивой работы, так как при  прохождении проводниками обмотки  якоря геометрической нейтрали (рис.3) электромагнитные силы = 0 (магнитная индукция в середине межполосного пространства равна нулю). Однако с увеличением числа проводников в обмотке якоря (при равномерном их распределении на поверхности якоря) и числа пластин коллектора вращение якоря двигателя становится устойчивым и равномерным.

 

1.2 Классификация обмоток якоря

 

а) Общие определения.

Кольцевой якорь со спиральной обмоткой в настоящее время не применяется, так как более выгодным и надежным является барабанный якорь с обмоткой, все проводники которой укладываются на его внешней поверхности.

При барабанном якоре обмотка состоит  из витков, имеющих ширину, равную (или  почти равную) полюсному делению. Здесь виток охватывает весь поток  Ф, вступающий в якорь, и э.д.с. в  нем получается в 2 раза больше, чем  в витке спиральной обмотки, где  максимальный поток, охватываемый витком, равен половине потока, вступающего  в якорь. Поэтому для получения  одной и той же э.д.с. при барабанной обмотке требуется витков в 2 раза меньше, чем при кольцевой. К тому же изготовление кольцевой обмотки  гораздо сложнее и условия  ее охлаждения хуже, чем барабанной обмотки.

Проводники барабанной обмотки  укладываются в пазы. Они называются активными проводниками. Два активных проводника, соединенных друг с другом, образуют виток. Витки соединяются  между собой и с коллекторными  пластинами и образуют замкнутый  контур.

Часть обмотки, находящаяся при  ее обходе между следующими друг за другом коллекторными пластинами, называется секцией. Секция может состоять из одного или нескольких витков (рис. 4). Ширину секции следует выбирать или равной полюсному делению (расстояние по окружности якоря между осями соседних полюсов), или близкой к нему. Секционные стороны в пазах обычно размещают  в два слоя. На рис. 10 показаны пазы якоря с размещенными в них  секционными сторонами. Здесь прямоугольниками изображены секционные стороны, которые  могут состоять из одного или нескольких активных проводников.

 

Рис. 4. Одновитковая секция, заложенная в пазы (а), и трехвитковая секция (б).

 

Для того чтобы правильно соединить  секции обмотки между собой и  с коллекторными пластинами, нужно  найти шаги обмотки. Их целесообразно  измерять числом элементарных пазов, причем под последними понимаются условные пазы с двумя секционными сторонами, расположенными одна над другой. На рис. 5,а показаны реальные пазы, которые в то же время являются и элементарными. На рис. 5,6 и в показаны пазы, из которых каждый состоит соответственно из двух и трех элементарных пазов. Нумерация элементарных пазов производится так, как показано на рис. 5.

 

Рис. 5. Пазы якоря

 

Секция обмотки укладывается в  пазы таким образом, чтобы одна ее сторона находилась в верхнем  слое паза, а другая сторона в  нижнем слое. На рис. 6 изображены секции обмоток. Здесь часть секции, находящаяся  в верхнем слое, изображена сплошной линией, а часть секции, находящаяся  в нижнем слое, — пунктирной линией.

 

Рис. 6. Секции якорных обмоток.

 

Барабанные обмотки делятся  на петлевые и волновые. Секции петлевой обмотки показаны на рис. 6,а и волновой обмотки — на рис. 6,б.

Различают следующие шаги обмоток (рис. 6): у₁ — первый шаг, равный ширине секции или расстоянию между начальной и конечной сторонами секции; у₂ — второй шаг, равный расстоянию между конечной стороной одной секции и начальной стороной следующей секции; у — результирующий шаг, равный расстоянию между начальными сторонами следующих друг за другом секций; у_к — шаг по коллектору, равный расстоянию между началом и коном секции по окружности коллектора (измеряется числом коллекторных делений, т. е. расстояний между серединами соседних коллекторных пластин).

Если у измеряется числом делений  элементарных пазов, то у и у_к выражаются одним и тем же числом, т. е.

 

y = y_к.           (1)

 

Если обозначить: S — число секций, K — число коллекторных пластин, Z_э— число элементарных пазов, то

 

S = K = Z_э.           (2)

 

Минимальное число параллельных ветвей 2а замкнутой обмотки равно двум, т. е.

 

2a ≥2.           (3)

 

Для обеспечения симметрии обмотки  общее число секций выбирается таким  образом, чтобы на каждую пару параллельных ветвей приходилось целое число  секций. В этом случае имеем:

 

целому числу.         (4)

 

б) Петлевая обмотка.

При петлевой обмотке первый шаг  делается по окружности якоря в одну сторону, второй шаг — в противоположную (рис. 6,а), поэтому шаги петлевой обмотки связаны соотношением

 

y₁ – y₂ = y = y_к.          (5)

 

Обычно у₁>y₂ и y>0. Такая обмотка называется неперекрещенной или правой. Здесь при обходе секций мы будем все время смещаться вправо. При у₁< у₂ и у<0 получается перекрещенная или левая петлевая обмотка. В этом случае при обходе обмотки будем все время смещаться влево. Левая обмотка на практике почти не встречается.

Число параллельных ветвей петлевой обмотки определяется числом полюсов 2р и значением результирующего шага у. В общем случае число параллельных ветвей петлевой обмотки равно:

 

2a = 2py.           (6)

 

На рис. 6,а показаны две секции петлевой обмотки с шагом у = у_к=1. Такая обмотка называется простои петлевой. Она имеет число параллельных ветвей, равное числу полюсов: 2а = 2р. Простые петлевые обмотки применяются для машин средней и большой мощности.

Если у>1, то получается сложная петлевая обмотка. Петлевую обмотку называют также параллельной, и соответственно различают простую и сложную параллельные обмотки.

На рис. 7 приведена схема —  развертка простой петлевой обмотки  при Z_э = S = K = 24, 2p = 2a = 4.

 

 

Рис. 7. Схема-развертка простой  петлевой обмотки. Z_э = S = K = 24; 2p = 2a = 4; y = y_к = 1; y₁ = 6; y₂ = 5.

 

Шаги обмотки взяты равными:

 

y = y_к = 1; ;

y₁ = 6; y₂ = y₁ – y; y₂ = 5.

 

Если схему начертить на полосе бумаги и обернуть ею цилиндр подходящих размеров, то мы получим наглядное  представление о соединении секций между собой и с коллекторными  пластинами.

Для той же самой обмотки на рис. 7а представлена так называемая радиальная схема.

 

Рис. 7а. Радиальная схема простой  петлевой обмотки (кривые вне якоря  условно показывают лобовые соединения на задней стороне машины, кривые внутри якоря — лобовые соединения на ее передней стороне (см. рис. 7).

 

На рис. 7 показаны полюсы и э.д.с, наведенные в секционных сторонах. Мы приняли, что полюсы расположены  над обмоткой и что якорь относительно полюсов и щеток движется вправо.

При выбранном положении якоря  относительно полюсов получаются четыре параллельные ветви (2а = 2р = 4); они показаны на рис. 8, где цифрами без штриха обозначены верхние секционные стороны, а цифрами со штрихом — нижние.

 

Рис. 8. Параллельные ветви простой  петлевой обмотки (см. рис. 7).

 

При перемещении якоря некоторые  секции замыкаются щетками. Они в  это время не участвуют в создании э.д.с. параллельной ветви. Для рассматриваемого случая мы будем иметь то 6, то 5 секций в каждой параллельной ветви. В соответствии с этим напряжение на щетках будет  несколько изменяться по величине, оставаясь постоянным по направлению. В практических случаях, когда взято  на параллельную ветвь обмотки 15—20 и больше секций, коллекторные пульсации  напряжения на щетках получаются меньше 1%.

Щетки на рис. 7 и 7а соприкасаются с коллекторными пластинами, соединенными с секционными сторонами, находящимися приблизительно посередине между главными полюсами, т. е. вблизи геометрической нейтрали. В этом случае считают, что щетки находятся приблизительно на геометрической нейтрали, имея в виду положение щеток не относительно полюсов, а относительно секционных сторон, с которыми они соединены. Щетки устанавливаются на геометрической нейтрали не только для того, чтобы иметь наибольшую э.д.с. в параллельной ветви, но и для того, чтобы в секциях, замыкаемых щетками почти накоротко, не могли образоваться большие токи.

Из сложных петлевых обмоток  применяются иногда обмотки при  у = 2 для машин на большие токи, для которых увеличение числа параллельных ветвей за счет увеличения числа полюсов невозможно или невыгодно.

Сложную петлевую обмотку можно  представить себе, как две простые  петлевые обмотки, уложенные на один и тот же якорь и смещенные  одна относительно другой (рис. 9).

 

Рис. 9. Секции сложной петлевой обмотки (у = у_к = 2).

 

При исследовании якорных обмоток  машин постоянного тока, так же как якорных обмоток машин  переменного тока, применяются векторные  диаграммы э.д.с. обмоток. Такие диаграммы  можно построить, приняв, что кривая распределения индукции вдоль окружности якоря (кривая поля машины) синусоидальна. Тогда мы можем э.д.с., наведенные в секционных сторонах, изобразить временными векторами. Следовательно, э.д.с. одной какой-либо секции также  изобразится вектором, равным разности векторов э.д.с., наведенных в сторонах этой секции.