Синхронные машины. Машины постоянного тока (стр. 22 из 42)
Щетки А и В разделяют рассматриваемую обмотку на две параллельные ветви, в каждой из которых действует э.д. с. Е. При разомкнутой внешней цепи ток по обмотке не проходит, так как э.д.с, индуктированные в двух ее ветвях, направлены встречно и взаимно компенсируются. Полная компенсация будет, очевидно, иметь место при строго симметричном выполнении обмотки и равенстве магнитных потоков полюсов; условие симметрии в случае двухполюсной обмотки сводится к равномерному распределению проводников на внешней поверхности якоря.
Электродвижущая сила. Мгновенное значение э.д. с, индуктируемой в каждом активном проводнике (рис. 2.12),
, (2.1)где Вх–индукция в рассматриваемой точке х воздушного зазора; va–окружная скорость якоря; lа–длина проводника в магнитном поле.
Следовательно,
. (2.2)Здесь N – общее числа активных проводников обмотки якоря; N/2а – число активных проводников, входящих в одну параллельную ветвь.
При достаточно большом числе коллекторных пластин можно пренебречь пульсацией э. д.с. и считать, что
, (2.3)где Вср – среднее значение индукции на протяжении полюсного деления τ.
Учитывая также, что
Вср1аt = Ф, (2.4)
где τ = πDa/(2p) – полюсное деление;
,Получим
, (2.5)где се = pN/(60a) – коэффициент, определяемый конструктивными параметрами машины и не зависящий от режима ее работы.
Рис. 2.12 – Направление э д с и тока в витке обмотки якоря при его вращении относительно полюсов
Формула (2.5) дает среднее значение э.д.с. Е. В действительности величина ее колеблется (пульсирует) между двумя предельными значениями – Емакс и Емин. При вращении якоря часть витков, замыкаясь накоротко щетками, выключается из параллельных ветвей и за время поворота якоря на угол, соответствующий одной коллекторной пластине, сумма мгновенных значений э.д.с. успевает несколько измениться. Максимальное значение возникающих при этом пульсаций э.д.с. ΔЕ = 0,5 (Емакс – Емин) зависит от числа коллекторных пластин К:
| К | 2 | 4 | 8 | 10 | 20 | 40 |
| DЕ, % | 100 | 17,2 | 4 | 2,5 | 0,62 | 0,16 |
Значения ΔЕ приведены в процентах от теоретического среднего значения э.д.с. Е.
Период пульсаций равен времени поворота якоря на одну коллекторную пластину, вследствие чего их частота в K/pраз больше частоты fa, с которой изменяется э.д. с, индуктированная в проводниках обмотки якоря.
Напряжение между соседними коллекторными пластинами. Если падением напряжения в витке пренебречь, то напряжение икмежду соседними пластинами будет равно сумме э.д. с, индуктируемых во включенных между ними витках обмотки якоря. Например, для обмотки, состоящей из одновитковых секций (рис. 2.12), напряжение ик = 2е. Из (2.1) следует, что э.д. с. е пропорциональна индукции Вхв соответствующей точке воздушного зазора. Поэтому кривая распределения вдоль коллектора напряжений икмежду соседними пластинами будет подобна кривой распределения индукции Bx = f(x) в воздушном зазоре (рис. 2.13, а).
Рис. 2.13 – Кривые распределения индукции Вхи напряжения иквдоль окружности якоря при установке щеток на геометрической нейтрали (а) и при сдвиге их с нейтрали (б)
Важной характеристикой надежности работы машины постоянного тока является так называемая потенциальная кривая, представляющая собой зависимость изменения напряжения Uxвдоль окружности коллектора. При переходе от одной коллекторной пластины к другой напряжение Uхизменяется ступенчато, но при достаточно большом числе коллекторных пластин эту зависимость можно заменить плавной кривой (рис. 2.13, а). Потенциальная кривая является интегральной по отношению к кривой магнитного поля Bx = f(x), так как площадь кривой магнитного поля пропорциональна сумме э.д. с, индуктируемых во всех витках, которые включены между щетками А и В. Наибольшее напряжение между соседними коллекторными пластинами ик.макс возникает там, где потенциальная кривая имеет наибольшую крутизну.
Как было указано выше, при холостом ходе машины значение э.д. с. Е будет максимальным при установке щеток А и В на геометрической нейтрали. Если смещать щетки с геометрической нейтрали на некоторый угол α(рис. 2.13, б), то часть окружности якоря, соответствующая углу α, будет находиться в зоне с индукцией – Вх, созданной полюсом противоположной полярности. При этом уменьшится результирующая э.д. с. Е и напряжение U между щетками А и В, так как в проводниках якоря, расположенных в
указанной зоне, индуктируются э. д. с, противоположные по направлению э. д. с. в остальных проводниках.
Электромагнитный момент. На якорь, по обмотке которого проходит ток Iа, действует электромагнитный момент
M = 0,5Fve3Da, (2.6)
где Fpeз – результирующая электромагнитная сила, возникающая при взаимодействии тока с магнитным полем.
Сила Fрезпредставляет собой сумму усилий fx, приложенных ко всем активным проводникам обмотки якоря,
.При достаточно большом числе коллекторных пластин силу Fрезможно считать постоянной:
. (2.7а)Здесь iа–ток в одной параллельной ветви (см. рис.2.12),
С учетом (2.4) и (2.7а) электромагнитный момент
(2.7б)При работе машины в двигательном режиме электромагнитный момент является вращающим, а в генераторном режиме–тормозным.
В настоящее время применяют якоря только барабанного типа, в которых проводники обмотки укладывают в два слоя в пазы, расположенные на наружной поверхности якоря (рис. 2.14, а). Для того чтобы э.д.с, индуктированные в двух сторонах каждого витка, складывались, стороны его следует располагать под полюсами противоположной полярности (рис. 2.14, б). В этом случае в каждом витке индуктируется э.д.с, в два раза большая, чем в одном проводнике. Следовательно, как и в обмотках переменного тока, основной шаг обмотки должен быть равен полюсному делению τ.
Обмотки барабанного якоря подразделяют на две основные группы: петлевые (параллельные) и волновые (последовательные). В машинах большой мощности применяют также параллельно-последовательную (лягушачью) обмотку, в которой сочетаются элементы петлевой и волновой обмоток. Основной частью каждой обмотки является секция, состоящая из одного или нескольких последовательно включенных витков; концы секций присоединяют к двум коллекторным пластинам. Число секций S равно числу коллекторных пластинK. Все секции обмотки обычно имеют одинаковое количество витков. На схемах обмоток секции для простоты всегда изображают одновитковыми. При двухслойной обмотке стороны секции, расположенные в верхнем слое, изображают сплошными линиями, а в нижнем слое–штриховыми (рис. 2.14, в).
Шаг секции yi(его называют также основным или первым частичным шагом обмотки) должен быть приблизительно равен полюсному делению т. При уi= τшаг называют диаметральным; при уi<τ – укороченным; при уi>τ – удлиненным.
Рис. 2.14 – Расположение проводников обмотки на якоре барабанного типа (а, 6) и схема двухслойной обмотки (в)
Простая петлевая обмотка. При простой петлевой обмотке секцию присоединяют к соседним коллекторным пластинам (рис. 2.15, а). Для выполнения обмотки необходимо знать ее результирующий шаг у (рис. 2.15, б), первый у1и второй у2частичные шаги, а также шаг по коллектору ук. Результирующим шагом обмотки называют расстояние между начальными сторонами двух секций, следующих друг за другом по ходу обмотки; первым частичным шагом – расстояние между двумя сторонами каждой секции (шаг секции); вторым частичным шагом – расстояние между конечной стороной одной секции и начальной стороной следующей секции. Указанные расстояния обычно выражают в числе пройденных секций. Шагом по коллектору называют расстояние в коллекторных делениях между пластинами, к которым присоединены две стороны каждой секции. Так как K = S, то результирующий шаг обмотки у и шаг по коллектору укравны. При петлевой обмотке y = y1–y2и ук=у. Обмотку называют простой, если у=ук=±1. В этой обмотке каждая последующая секция расположена рядом с предыдущей, а якорная катушка имеет форму петли, откуда и получила свое название рассматриваемая обмотка. Обычно при выполнении обмотки принимают ук = + 1(неперекрещенная обмотка), так как в этом случае несколько снижается расход обмоточного провода. На рис. 2.16 показаны якорные катушки машин постоянного тока при петлевой и волновой обмотках.