Применение петлевой и волновой обмотки

Якорь.

Основные части электрических машин. Реакция якоря

Электрические машины общего применения обычно имеют цилиндрическую форму и снабжены приливами для установки на фундамент или фланцами для крепления.

Тяговые электрические машины имеют те же основные части, но их конструкция приспособлена к особенностям установки этих машин на локомотивах.

Основными частями машины постоянного тока являются: остов (станина), полюсы, якорь, щёточный аппарат и некоторые вспомогательные детали, служащие для конструктивного оформления машины.

Остов (станина). Неподвижная часть машины – остов отливается из стали, служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода.

Полюсы. В современных стационарных и тяговых машинах устанавливают главные и добавочные полюсы.

Главные полюсы, на которых расположены катушки обмотки возбуждения, служат для создания в машине магнитного потока возбуждения. Часть сердечника главного полюса со стороны, обращённой к якорю, выполнена более широкой и называется полюсным наконечником. Эта часть служит для поддержания катушки, а также для лучшего распределения магнитного потока по поверхности якоря.

Электрические машины могут иметь два, четыре, шесть и в общем случае 2р главных полюсов.

Остов, полюсы и якорь составляют магнитную систему машины, через которуюзамыкается магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения. Воздушный зазор между якорем и полюсами является также одним из участников магнитной цепи.

Добавочные полюсы обеспечивают уменьшение искрения, возникающего при работе машины. По своим размерам они меньше главных. Число добавочных полюсов обычно равно числу главных.

Машина постоянного тока имеет якорь, состоящий из:

· сердечника (изолированные друг от друга листы из электротехнической стали), насаженного на вал якоря;

· обмотки (уложенной в пазы якоря);

· коллектора (изолированные друг от друга клинообразные пластины); коллектор – механический преобразователь переменного тока в постоянный и наоборот;

· вала.

Щёточный аппарат – для соединения коллектора с внешней цепью.

Обмотки якоря.

Принцип соединения отдельных проводников в обмотку. В машинах постоянного тока применяют барабанные якоря. Проводники обмотки укладывают в пазы на наружной поверхности цилиндрического якоря таким образом, чтобы э. д. с. в них скла­дывалась (рис. 5.9), т. е. проводник А, расположенный под северным полюсом, должен соединяться с про­водником Б, расположенным под южным полюсом.

Рисунок 5.9. Принцип выполнения обмотки барабанного якоря  

Обмотка якоря состоит из отдельных секций. Секцией называ­ют часть обмотки, расположенную между двумя коллекторными пластинами, следующими одна за другой по ходу обмотки. Число секций S в обмотке равно числу коллекторных пластин К. Секция может состоять из одного или нескольких последовательно соеди­ненных витков.

Одновитковые секции состоят из двух активных про­водников, пересекающих магнитный поток. Активные проводники расположены в пазах якоря и соединяются лобовыми частями, лежащими вне сердечника якоря. Лобовые части в индуцировании э. д. с. практически не участвуют. Многовитковые секции состоят из двух активных сторон, каждая из которых объеди­няет несколько активных проводников (рис. 5.10.б).

Рисунок 5.10 Схема одновитковой (а) и многовитковой (б) секций: 1 – активные проводники; 2 – лобовая часть; 3 – активная сторона; 4 – коллекторные пластины    

При объединении нескольких секций в якорную катушку каж­дую из сторон якорной катушки в большинстве случаев укладывают в один общий паз. Для того, чтобы э. д. с, индуцированные в отдель­ных секциях, складывались, рас­стояние между соединяемыми частями секций должно быть прибли­зительно равно расстоянию между осями полюсов.

Обмотки якоря подразделяются на две основные группы: петле­вые (параллельные) и волновые (последовательные).

Простая волновая обмотка. Сек­ции, лежащие под разными полюсами, соединяют последовательно (рис. 5.11). После одного обхода окружности якоря приходят к коллектор­ной пластине, расположенной рядом с исходной.

Рисунок 5.11. Общий вид волновой обмотки (а) и схема соединения её секций (б)  

Например:

Начало секции 1 присоединяют к коллекторной пластине КП1, а ее конец соединяют с коллекторной пластиной КП10 и началом секции 2, которая расположена под следующей парой полюсов; затем конец секции 2 соединяют с другой коллекторной пластиной и с началом следующей секции. После завершения полного обхода окружности якоря конец соответствующей секции соединяют с коллекторной пластиной КП2 и началом секции 3, затем таким же образом с коллекторной пластиной КП11 и секцией 4 и т.д., пока не придут к началу секции 1. Якорная катушка имеет форму волны.

Для выполнения обмотки необходимо знать её результирующий шаг У (рис. 5.11.б), первый У₁ и второй У₂, а также шаг по коллектору У_к. Указанные шаги выражают в числе пройденных секций, т. к. число коллекторных пластин равно числу секций. Число параллельных ветвей обмотки кратно двум и не зависит от числа полюсов.

Простая петлевая обмотка. Каждую секцию присоединяют к соседним коллекторным пластинам (рис. 5.12).

Рисунок 5.12. Общий вид петлевой обмотки (а) и схема соединения её секций (б)  

Например:

Начало секции 1 присоединяют к коллекторной пластине КП1, а ее конец соединяют с соседней коллекторной пластиной КП2 и началом рядом лежащей секции 2. Далее конец секции 2 присоединяют к следующей коллекторной пластине и к началу соседней секции и т.д., пока обмотка не замкнётся, т. е. не придут к началу 1-й секции. Каждая последующая секция расположена рядом с предыдущей, а якорная катушка имеет форму петли. Число параллельных ветвей по всей обмотке 2а равно числу полюсов 2р. Чем больше число полюсов, тем больше параллельных ветвей имеет обмотка, и тем больше щёточных пальцев должно быть в машине.

Каждая из обмоток – петлевая и волновая – имеет свои преимущества. При одном и том же числе проводников в обмотке якоря и числе полюсов простая петлевая обмотка будет иметь в р раз больше параллельных ветвей, чем волновая. Она может пропускать значительно больший ток I_я=2аi_я, чем волновая обмотка (здесь i_я – ток в параллельной ветви) (рис. 5.13).

Рисунок 5.13. Схема параллельных ветвей в четырёхполюсной машине при петлевой (а) и волновой (б) обмотках:

1 – коллекторные пластины; 2 – секции обмотки

Число же витков в каждой параллельной ветви при петлевой обмотке в р раз меньше, чем при волновой. Так как напряжение машины определяется числом последовательно включённых витков с каждой параллельной ветви, то в машине с петлевой обмоткой напряжение будет в р раз меньше, чем с волновой обмоткой.

В машинах, работающих при высоких напряжениях, целесообразно применять волновую обмотку (на электровозах, электропоездах, которые рассчитаны для работы при напряжении 1500 – 3000 В). В машинах, работающих при больших токах, применяют петлевую обмотку (тяговые двигатели электровозов и тепловозов). Машины постоянного тока небольшой мощности обычно выполняют двухполюсными. При двух полюсах петлевая и волновая обмотки не различаются.

Назначение коллектора в генераторе.

В простейшем генераторе (рис. 5.14) при вращении витка в магнитном поле его рабочие (активные) стороны 1 и 2 пересекают магнитные силовые линии. В них индуцируется э.д.с. Если к кольцам, к которым припаяны концы витка, присоединить внешнюю цепь с некоторым приёмником электрической энергии, то по нему пойдёт переменный ток i. Участки 3 и 4 витка являются нерабочими, т.к. не пересекают магнитных силовых линий и в создании э.д.с. не участвуют. Эти участки витка называют лобовыми частями. В положении, показанном на рис. 5.14.а, виток не пересекает силовых линий магнитного поля, э.д.с. в нём не индуцируется и тока нет.

При повороте витка по часовой стрелке на 90° (рис. 5.14.б) обе стороны его будут пересекать магнитное поле, при этом в активных сторонах 1 и 2 индуцируется э.д.с. е и по витку и внешней цепи начинает проходить ток i. Применяя правило правой руки,

Рисунок 5.14. Процесс индуцирования э.д.с. в простейшем электрическом генераторе при наличии на нём коллектора (а-г) и график изменения его напряжения u и тока i

во внешней цепи (д)

устанавливаем, что э.д.с., индуцированная в стороне 1 витка, будет направлена от нас, а в стороне 2 – к нам. То есть во внешней цепи ток пойдёт от щётки А, имеющей положительный потенциал, к щётке Б с отрицательным потенциалом.

В положении, показанном на рис. 5.14.в, виток не пересекает силовые линии поля, поэтому э.д.с. и ток уменьшаются до нуля.

При повороте витка на 270° (рис. 5.14.г) под северный полюс подходит сторона 2 витка, а под южный – сторона 1. Поэтому направление э.д.с. в рабочих сторонах 1 и 2 изменяется на противоположное по сравнению с направлением его в положении, показанном на рис. 5.15.б. В результате изменяются полярность щёток А и Б и направление тока i во внешней цепи.

Как следует из закона электромагнитной индукции, значение индуцированной э.д.с. е пропорционально числу силовых магнитных линий, пересекаемых сторонами витка в единицу времени. При перемещении рабочих сторон витка под полюсами э.д.с. е, напряжения u, действующие между щётками А и Б, и ток i будут иметь некоторые постоянные значения (рис. 5.14.б). При переходе от одного полюса к другому направления е, u и i будут изменяться.

Для получения во внешней цепи постоянных по направлению э.д.с., напряжения и тока в простейшем генераторе виток присоединяют не к двум кольцам, как показано на рисунке 5.14, а к одному кольцу, разрезанному на две изолированные одна от другой части. Начало от витка присоединяют к одной половине кольца, конец – к другой (рис.5.15).

Такую конструкцию называют коллектором, а отдельные изолированные части его (в данном случае полукольца) – коллекторными пластинами.

В положении, показанном на рис. 5.15.а, э.д.с. в витке не индуцируется и тока в цепи

Рисунок 5.15. Процесс индуцирования э.д.с. в простейшем электрическом генераторе (а - г) и кривые изменения э.д.с. е в проводниках обмотки якоря, напряжения u и тока i (д) во внешней цепи

нет. При повороте витка на 90° (рис. 5.15.б) в его рабочих сторонах 1 и 2 индуцируется э.д.с е и во внешней цепи начинает проходить ток i от щётки Б к щётке А. В положении, показанном на рис. 5.15.в., э.д.с. в витке не индуцируется и ток во внешней цепи равен нулю.

При повороте витка на 270° (рис. 5.15.г) направление э.д.с. в рабочих сторонах 1 и 2 витка изменяется по сравнению с положением, показанным на рис. 5.15.б. Однако направление тока во внешней цепи остаётся неизменным, т.к. одновременно с поворотом витка меняются местами и коллекторные пластины, вследствие чего к щётке Б подходит пластина, связанная со стороной 2 витка, а к щётке А – пластина, связанная со стороной 1. Потенциалы щёток, т.е. напряжение u, сохранятся такими же, как на рис. 5.15.б, и ток i во внешней цепи будет протекать в прежнем направлении.

Таким образом, при замене двух контактных колец двумя изолированными одна от другой коллекторными пластинами происходит выпрямление напряжения u, действующего между щётками А и Б, а следовательно, и тока i во внешней цепи. Характер изменения напряжения u на щётках и тока i поясняется на рис. 5.15.д. Напряжение и ток получаются постоянными по направлению, но переменными по значению. Такой ток и напряжение называются пульсирующими.

Пульсирующий ток мало пригоден для практических целей. Для сглаживания пульсации в обмотке якоря увеличивают число витков и соответственно, число коллекторных пластин.

Для лучшего использования обмотки якоря 1 (рис. 5.16) отдельные витки соединяют друг с другом последовательно. К каждой коллекторной пластине 2 присоединяют конец предыдущего и начало следующего витка. В результате получают замкнутую обмотку (рис. 5.16.а). При вращении якоря между любыми точками такой обмотки, например, между а и б (рис. 5.16.б) действует переменная э.д.с. е_аб. Однако во внешней цепи между неподвижными щётками А и Б действует постоянная по направлению и значению э.д.с. Е, равная сумме э.д.с., индуцированных во всех последовательно соединённых витках якоря, расположенных между этими щётками.

Следовательно, коллектор в генераторе осуществляет преобразование изменяющихся э.д.с. и тока в обмотке якоря в постоянные по величине и направлению э.д.с. и ток, действующие во внешней цепи, т.е. работает в качестве механического выпрямителя.

Чем больше витков в обмотке якоря и коллекторных пластин, тем меньше пульсируют э.д.с. и ток. Полностью освободиться от пульсации невозможно. Для большей части электрических потребителей эти пульсации не играют никакой роли и не отражаются на их работе.

Рисунок 5.16. Схемы подключения обмотки якоря к пластинам коллектора

Назначение коллектора в электродвигателе.

Электродвигатель питается от сети постоянного напряжения и к его якорю подаётся постоянный ток. По проводникам же обмотки якоря протекает переменный ток. Следовательно, в электродвигателе коллектор работает в качестве механического преобразователя постоянного тока в переменный, обеспечивая питание обмотки якоря переменным током от внешнего источника постоянного тока.

При вращении якоря проводники его обмотки перемещаются под полюсами машины, переходя от северного полюса к южному, затем снова к северному и т.д. Переход должен сопровождаться изменением направления тока в проводниках, чтобы электромагнитный момент машины действовал всё время в одном и том же направлении.

Благодаря коллектору по всем проводникам, расположенным под северным полюсом, ток проходит в одном направлении, а по проводникам, расположенным под южным полюсом, - в другом. При возвращении якоря проводники меняются местами (переходят под полюсы другой полярности), направление тока в них также меняется на противоположное.

Например, в положении, показанном на рисунке 5.17.а, ток i проходит по витку 1. Возникающий при этом электромагнитный момент М направлен по часовой стрелке. Когда виток 1 в процессе поворота якоря займёт положение, показанное на рис. 5.17.б, коллекторные пластины, к которым присоединён этот виток, выйдут из-под щёток, и ток перестанет проходить по витку 1. Однако под щётками окажется вторая пара коллекторных пластин, соединённых с витком 2, и ток начнёт проходить по этому витку. Электромагнитный момент М будет действовать в том же направлении, что и при положении якоря, показанном на рисунке 5.17.а. при повороте каждого витка на 180° всё повторится, когда рабочие стороны витка перейдут под полюсы другой полярности.

Рисунок 5.17. Распределение тока по проводникам обмотки якоря при его вращении  

Реакция якоря.

На холостом ходу магнитный поток создаётся только магнитодвижущей силой обмотки возбуждения 1. В этом случае магнитный поток возбуждения Ф_в, пронизывающий якорь 2, распределяетсясимметрично относительнопродольной оси. Поток возбуждения направлен попродольной оси полюсов .

Воздействие поля якоря на магнитное поле машины называется реакцией якоря (рис.5.18):

Магнитный поток возбуждения Ф_я, созданный током якоря, в двухполюсной машине при установке щёток на геометрической нейтрали, направлен по поперечной осимашины.

В результате действия потока якоря Ф_я симметричное распределение магнитного поля машины искажается и результирующий поток Ф_рез. оказывается сосредоточенным в основном у краёв главных полюсов (рис.5.18.в).  

Рис.5.18. Распределение индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока

а) от обмотки возбуждения; б) от обмотки якоря; в) результирующее

Вредные последствия реакции якоря:

1. Физическая нейтраль б-б (линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали а-а на некоторый угол, что ухудшает коммутацию машины и приводит к искрению под щётками.

2. Результирующий магнитный поток Ф_рез при насыщении магнитной цепи уменьшается, т.е. уменьшается и э.д.с., индуцированная при нагрузке, по сравнению с э.д.с. при холостом ходе.

3. В кривой распределения результирующей индукции в воздушном зазоре возникают пики индукции В_mах под краями главных полюсов, способствующие образованию в машине кругового огня.

Уничтожение магнитного потока реакции якоря достигается с помощью компенсационной обмотки, уложенной в пазах сердечника главных полюсов и соединенной последовательно с обмоткой якоря. Эта обмотка создает магнитный поток, направленный против магнитного потока реакции якоря.

Контрольные вопросы

1. Из каких основных частей состоит машина постоянного тока?

2. Каково назначение и устройство коллектора?

3. Каково назначение щёток?

4. Что такое полюсный наконечник?

5. Какие элементы конструкции составляют магнитную систему машины?

6. Каково назначение полюсного наконечника?

7. Что такое реакция якоря?

8. Как реакция якоря влияет на работу машин постоянного тока?

9. Как уменьшить влияние якоря?

5.4. Коммутация и способы её улучшения

Под коммутацией понимают все явления и процессы, возникающие под щётками при работе коллекторных электрических машин. Если щётки искрят, то говорят, что машина имеет плохую коммутацию. Если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Качество коммутации в значительной степени определяет работоспособность машины и её надёжность в эксплуатации.

При вращении якоря, каждая секция его обмотки, проходя через нейтраль, меняют свое положение под полюсами и переходят из одной параллельной ветви в другую. При этом секции закорачиваются щёткой, и в них резко изменяется направление тока.

Процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и изменения в них тока, называется процессом коммутации.

Рисунок 5.19. Переход секции обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую

(а и б) и кривая изменения тока в секции

Щётки, установленные на коллекторе, разбивают обмотку якоря на параллельные ветви. Предположим, что в какой-либо момент секция 1 (рис.5.19.а) находится в нижней параллельной ветви, при этом ток ветви i_я протекает по секции в направлении от её начала Н к концу К (для простоты принимаем, что щётки скользят не по коллектору, а непосредственно по виткам обмотки якоря). Через некоторое время якорь повернётся и секция 1 окажется в верхней параллельной ветви (рис.5.19.б). При этом ток i_я будет проходить по секции в обратном направдении, т.е. от её конца К к началу Н.

Большую часть времени, соответствующего одному обороту якоря, ток секции равен току параллельной ветви i_я. Но, перемещаясь под полюсами, секция попадает то в одну, то в другую параллельную ветвь, и направление тока в ней периодически меняется.

Период времени, в течение которого происходит изменение направления тока в секции, называется периодом коммутации. В это время соединённые с секцией коллекторные пластины соприкасаются со щёткой. Секция начинает коммутироваться в момент, когда коллекторные пластины, между которыми подключена секция, перекрываются набегающим краем щётки. Заканчивается этот процесс коммутацией этой секции в момент выхода указанных коллекторных пластин из-под противоположного (сбегающего) края щётки.

Рассмотрим более подробно процесс коммутации в какой-либо секции обмотки якоря двухполюсной машины при различных положениях щётки относительно коллекторных пластин. Для простоты будем считать, что ширина щётки равна ширине коллекторной пластины.

Рисунок 5.20. Схемы коммутации проводников

В начальный момент коммутации (рис.5.20.а) щётка перекрывает коллекторную пластину 1, и ток в обмотке якоря I_я=2i_я, пройдя щётку и коллекторную пластину, разветвляется на две ветви, при этом по каждой параллельной ветви (правой и левой) протекают токи i_я.

При вращении якоря коллекторные пластины сдвигаются относительно щётки, и через некоторое время щётки начинают перекрывать обе коллекторные пластины 1 и 2, замыкая накоротко коммутируемую секцию 1-4, обозначенную красной линией (рис.5.20.б). При этом через коммутируемую секцию будет протекать некоторый ток i, в обеих же параллельных ветвях будут проходить токи i_я. Поэтому через набегающую коллекторную пластину 1 будет проходить ток i₁=i_я+i, а через сбегающую пластину 2 - i₂=i_я-i.

В конце процесса коммутации (рис.5.20.в) щётка сходит с коллекторной пластины 1 и перекрывает только одну пластину 2, при этом ток в коммутируемой секции направлен противоположно его направлению в начале коммутации.

Таким образом, в течение периода коммутации Т_к секция 1-4 переходит из правой параллельной ветви в левую. Ток i в коммутируемой секции линейно изменяется от + i_я до - i_я, ток i₁ - от 2i_я до нуля, а ток i₂ - от нуля до 2i_я. Такая коммутация называется прямолинейной, идеальной.

В действительных условиях работы машин постоянного тока процесс коммутации протекает более сложно. Период коммутации Т_к составляет примерно 0,001- 0,0001 сек. Скорость изменения тока очень велика и значение э.д.с. самоиндукции довольно большое. В процессе коммутации участвует одновременно несколько секций, замыкаемых накоротко щётками. Сумма возникающих в каждой коммутируемой секции э.д.с. самоиндукции и взаимоиндукции называется реактивной э.д.с. Реактивная э.д.с. нарушает условия без искровой работы щеток, так как в секции возникает дополнительный ток. Величина дополнительного тока зависит от величины возникающей реактивной э.д.с. и сопротивления короткозамкнутого контура, которое, главным образом, зависит от сопротивления щеточного контакта. Увеличение нагрузки ведет к возрастанию реактивной э.д.с.

Способы улучшения коммутации:

1. уменьшение реактивной э.д.с.:

· за счёт уменьшения индуктивности секции; для этого уменьшают число витков (делают одновитковыми);

· пазы якоря делают открытыми и не очень глубокими (не более 4,5-5,5 мм),

· одну сторону каждой секции располагают в верхнем слое паза, а другую – в нижнем;

· уменьшают ширину щётки (в тяговых двигателях и генераторах щётка перекрывает 3,5-4,5 коллекторных пластины);

· в крупных машинах уменьшают длину, окружную скорость и суммарный ток проводников в пазах якоря, увеличивают диаметр якоря (поэтому машины постоянного тока имеют примерно на 20-25% меньшую мощность, чем машины переменного тока при тех же габаритных размерах и частоте вращения).

2. компенсацией реактивной э.д.с. и э.д.с. вращения от потока якоря:

· при изменении нагрузки машины от холостого хода до несколько большей её номинальной применяют добавочные полюсы между главными полюсами (для создания дополнительного внешнего коммутирующего магнитного поля);магнитный поток направлен против потока якоря в коммутационной зоне и компенсирует его; коммутирующая э.д.с. должна быть примерно равна реактивной э.д.с. (не более 0,8-1,0 В);

· для увеличения предельной нагрузки поперечное сечение сердечников добавочных полюсов увеличивают и устанавливают значительно большие воздушные зазоры под главными полюсами;

· обмотку добавочного полюса размещают ближе к якорю;

· в воздушный зазор между остовом и торцами сердечников добавочных полюсов устанавливают немагнитные прокладки для обеспечения без искровой работы щеток и замедления магнитного насыщения сердечников;

· путём смещения щеток с геометрической нейтрали на физическую. Этот способ не дает автоматической настройки при изменении нагрузки, как применение добавочных полюсов.

3. уменьшение тока коммутации i_к путем увеличения сопротивления цепи коммутирующей секции:

· переход от медных щёток к электрографитированным (с достаточно высоким активным сопротивлением: слишком высокое сопротивление приведет к увеличению потерь и нагреву щеток, что может ухудшить коммутацию);

· применение разрезных щёток.

Контрольные вопросы

1. Что такое процесс коммутации?

2. Дайте определение периода коммутации.

3. Назначение реактивной э.д.с.

4. Способы уменьшения реактивной э.д.с.

5. Способы компенсации реактивной э.д.с.

6. Способы улучшения коммутации.

Дата добавления: 2015-05-06