Синхронные машины. Машины постоянного тока

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 ф.

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 пластин K. 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 y_i (его называют также основным или первым частичным шагом обмотки) должен быть приблизительно равен полюсному делению т. При у_i = ф шаг называют диаметральным; при у_i < ф - укороченным; при у_i > ф - 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 у₁ и второй у₂ частичные шаги, а также шаг по коллектору у_к. 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 у_к равны. При петлевой обмотке y = y₁-y₂ и у_к=у. Обмотку называют простой, если у=у_к=±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 у_к = + 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.

Рис. 2.15 - Общий вид петлевой обмотки (а) и схема соединений ее секций (б)

Рис. 2.16 - Формы якорных катушек при петлевой (а) и волновой (б) обмотках (при одновитковых секциях):

1, 4 - пазовые части, 2, 5 - лобовые части, 3 - задняя головка,

5 - концы секций, припаиваемые к коллектору

В простой петлевой обмотке секции, расположенные под каждой парой полюсов, образуют две параллельные ветви. Например, на рис. 2.17 показано образование параллельных ветвей в обмотке якоря четырехполюсной машины. В каждую из параллельных ветвей входит S_в =S/(2p) секций, поэтому число параллельных ветвей во всей обмотке

2a = S/S_B = 2p. (2.8)

Условие 2а = 2 р выражает основное свойство простой петлевой обмотки: чем больше число полюсов, тем больше параллельных ветвей имеет обмотка. Следовательно, тем больше щеточных пальцев должно быть в машине. По этой причине простую петлевую обмотку часто называют параллельной. На рис. 2.18, а в качестве примера изображена схема петлевой обмотки четырехполюсной машины, а на рис. 2.18, б-эквивалентная схема ее, показывающая последовательность соединения отдельных проводников и образующиеся параллельные ветви. При этом цифрами 1, 2, 3 и т.д. обозначены активные проводники, лежащие в верхнем слое, а цифрами 1', 2', 3' и т.д. - лежащие в нижнем слое обмотки.

Рис. 2.17 - Образование параллельных ветвей в обмотке якоря четырехполюсной машины

Э.д.с. Е, индуктированные во всех параллельных ветвях петлевой обмотки, теоретически должны быть равны. Практически из-за технологических допусков в величине воздушного зазора под разными полюсами, дефектов литья в корпусе и других причин магнитные потоки отдельных полюсов несколько различаются между собой, а поэтому в параллельных ветвях действуют неодинаковые э.д.с. Разница между ними составляет 3-5%, однако вследствие небольшого сопротивления обмотки якоря этого оказывается достаточно, для того чтобы по параллельным ветвям даже при холостом ходе проходили довольно значительные уравнительные токи, которые загружают щетки и способствуют возникновению искрения на коллекторе. Чтобы уравнительные токи замыкались помимо щеток, в петлевых обмотках предусматривают уравнительные соединения, которые соединяют точки обмотки, имеющие теоретически равные потенциалы. Обычно для этой цели соединяют между собой коллекторные пластины, к которым подключены равно потенциальные точки обмотки (см. штриховые линии на рис. 2.18). Практически достаточно иметь одно-два уравнительных соединения на каждую группу секций, лежащих в одном пазу якоря, т.е. снабжать уравнителями 1/2 или 1/3 коллекторных пластин. Уравнительные соединения располагают чаще всего под лобовыми частями обмотки рядом с коллектором. В этом случае они находятся вне магнитного поля главных полюсов и в них э.д.с. не индуктируется. Протекающие по уравнительным соединениям токи, проходя по параллельным ветвям обмотки якоря, создают м.д.с, которые уменьшают неравенство магнитных потоков отдельных полюсов.

Простая волновая обмотка. При простой волновой обмотке секции, лежащие под разными полюсами, соединяют последовательно (рис. 2.19, а). При этом после одного обхода окружности якоря, т.е. последовательного соединения р секций, приходят к коллекторной пластине, расположенной рядом с исходной.

Рис. 2.18 - Петлевая обмотка четырехполюсной машины (а) и ее эквивалентная схема (б): S = K=24, y₁ = 6; у₂ = 5; у=у_к=1

Результирующий шаг обмотки (рис. 2.19, б) у = у₁ + у₂; частичные шаги (у₁ ? у₂) приблизительно равны полюсному делению ф, а шаг по коллектору у_к-двойному полюсному делению. Между шагом по коллектору у_к и количеством коллекторных пластин K существует зависимость

ру_к±1=К,

• откуда
• у_к = (К±1)/р. (2.9)
• Так как у_к должен быть целым числом, то число коллекторных пластин K, не может быть произвольным. Предпочтительно брать y_к = (K-1)/р (неперекрещенная обмотка), так как при этом несколько уменьшается расход обмоточного провода. Якорная катушка в рассматриваемой обмотке имеет форму волны (см. рис. 2.16, б), поэтому обмотку и называют волновой. В якоре барабанного типа направление э.д.с. сохраняется неизменным во всех сторонах секций, расположенных в пределах одного полюсного деления, т.е. в S/(2p) сторонах секций.

Рис. 2.19 - Общий вид волновой обмотки (а) и схема соединения ее секций (б)

Рис. 2.20 - Волновая обмотка четырехполюсной машины и ее эквивалентная схема:

S=K= 19, у₁ = 5; у₂=4; у = у_к = 9

В простой волновой обмотке при одном обходе окружности якоря соединяют последовательно 2 р сторон секций; поэтому количество секций в каждой параллельной ветви S_в = pS/(2p) = S/2, а число параллельных ветвей обмотки

2a = S/S_B = 2. (10-10).

Следовательно, число параллельных ветвей при простой волновой обмотке не зависит от числа полюсов и всегда равно двум. По этой причине такую обмотку часто называют последовательной. Уравнительные соединения при простой волновой обмотке не требуются, так как в каждую параллельную ветвь входят секции, стороны которых расположены под всеми полюсами. В результате этого неравенство потоков отдельных полюсов не вызывает неравенства э.д.с. в параллельных ветвях. На рис. 2.20, а показана схема простой волновой обмотки четырехполюсной машины, а на рис. 2.20, б - эквивалентная схема ее, показывающая последовательность соединений отдельных секций обмотки и образующиеся при этом параллельные ветви. При волновой обмотке в машине можно устанавливать только два щеточных пальца. Однако это делают лишь в машинах малой мощности; в более мощных машинах для уменьшения плотности тока под щетками и улучшения токосъема обычно ставят полный комплект (2 р) щеточных пальцев.

Области применения различных обмоток. Двухполюсные машины небольшой мощности выполняют с простой петлевой обмоткой, так как при двух полюсах волновая обмотка превращается в петлевую. По мере увеличения мощности обычно переходят к более компактным четырехполюсным машинам, имеющим меньшую массу, чем двухполюсные машины. Четырехполюсные машины небольшой и средней мощности часто имеют волновую обмотку, не требующую применения уравнительных соединений. При повышенном напряжении на щетках (до 1000 В и более) такую обмотку применяют в четырехполюсных машинах мощностью до 200 - 300 кВт. Если же напряжение на коллекторе невелико (110 или 220 В), то уже при мощности в десятки киловатт применяют четырехполюсные машины с петлевой обмоткой для уменьшения тока i_a в параллельной ветви. Величина этого тока даже в весьма мощных машинах не должна превышать 250-300 А, так как при выполнении обмотки из проводников очень большого сечения возникают значительные технологические трудности при изготовлении якорных катушек и их укладке. При простой петлевой обмотке ток i_a = I_а/(2a) = I_а/(2p), поэтому с ростом мощности и тока машины для сохранения тока ветви в допустимых пределах увеличивают число полюсов.

Сложные обмотки. При мощности более 1000 кВт становится выгодным применять сложные многоходовые обмотки якоря. В простейшем случае многоходовые обмотки представляют собой m простых петлевых или волновых обмоток, наложенных на общий якорь и смещенных относительно друг друга. В сложной петлевой обмотке число параллельных ветвей 2а = 2рm, а в сложной волновой - 2а = 2m, где m-число ходов обмотки. Результирующий шаг обмотки и шаг по коллектору соответственно равны:

у = у_к = ±т; у = у_к = (К±т)/р.

Применение многоходовых обмоток позволяет увеличивать число параллельных ветвей при неизменном числе полюсов, увеличение которых в ряде случаев невозможно. Однако эти обмотки требуют сложных уравнительных соединений.

В машинах большой мощности часто используют параллельно-последовательную (лягушачью) обмотку, представляющую собой комбинацию простой петлевой и многоходовой волновой обмоток (рис. 2.21). Обе обмотки уложены в одни и те же пазы и имеют общие коллекторные пластины. Чтобы уравнять э.д.с. параллельных ветвей, образуемых петлевой и волновой обмотками, число параллельных ветвей 2а этих обмоток должно быть одинаковым; для этого число ходов m. волновой обмотки должно быть равно р.

Секции волновой и петлевой обмоток являются друг для друга уравнителями, поэтому лягушачью обмотку выполняют без специальных уравнительных соединений.

Рис. 2.21 - Схема соединения секций лягушачьей обмотки (а), форма ее якорной катушки (б) и расположение проводников в пазах (в):

1-петлевая обмотка, 2 - волновая обмотка

2.5 Магнитное поле машины постоянного тока

Холостой ход. При холостом ходе магнитный поток в машине создается только м.д.с. F_в обмотки возбуждения.

В этом случае магнитный поток Ф_в при симметричном воздушном зазоре между якорем и сердечником главного полюса распределяется симметрично относительно продольной оси машины (рис. 2.22, а).

Рис. 2.22 - Магнитное поле машины постоянного тока, создаваемое:

а-обмоткой возбуждения, б - обмоткой якоря, в-результирующее

Зависимость магнитного потока возбуждения Ф_в от м.д.с. F_в (кривая намагничивания-рис. 2.23) для машин постоянного тока подобна кривой намагничивания для синхронных машин. Однако при проектировании машин постоянного тока допускают большие индукции на участках магнитной цепи, чем в синхронных машинах (в зубцах, якоре, станине и полюсах), вследствие чего для них коэффициент насыщения K_нас = F/F_д = ab/ac = 1, 2 ч 2. Расчет магнитной цепи машины постоянного тока производят так же, как и для машин переменного тока.

Рис. 2.23 - Кривая намагничивания машины постоянного тока

Реакция якоря. При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, вследствие чего возникает м.д.с. якоря. Воздействие м.д.с. якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Для упрощения анализа явления реакции якоря будем пренебрегать насыщением магнитной цепи машины и считать, что м.д.с. F_в обмотки возбуждения и м.д.с. F_aq обмотки якоря целиком расходуются на преодоление магнитными потоками воздушного зазора. В этом случае вместо указанных м.д.с. можно рассматривать соответствующие потоки: возбуждения Ф_в и реакции якоря Ф_аq. Магнитный поток Ф_аq, созданный м.д.с. якоря F_aq в двухполюсной машине при установке щеток на геометрической нейтрали, направлен по поперечной оси машины (рис. 2.22, б), поэтому магнитное поле якоря называют поперечным. В результате действия реакции якоря симметричное распределение магнитного поля машины искажается; при этом результирующее магнитное поле оказывается смещенным к краям главных полюсов (рис. 2.22, в). При этом физическая нейтраль 0'-0' (линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали 0-0 на некоторый угол в. В генераторах физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря; в двигателях - против направления вращения.

Чтобы построить кривую B_рез = f(x) распределения результирующей индукции вдоль окружности якоря, применим метод суперпозиции. Так как обмотка возбуждения является сосредоточенной, то кривая распределения создаваемой ею м.д.с. F'_в = f(x) имеет форму прямоугольника, где F'_в = 0,5F_в - м.д.с, приходящаяся на один воздушный зазор. В этом случае кривая индукции B_в = f(x) имеет форму криволинейной трапеции (рис. 2.24, а).

Для построения кривой м.д.с. F_aqx = f(x) и создаваемой ею индукции B_aqx = f(x) примем, что обмотка якоря равномерно распределена по его окружности. Тогда на основании закона полного тока м.д.с. якоря, действующая вдоль контура обхода через точки воздушного зазора на расстоянии х от оси главных полюсов,

, (2.11)

• а м.д.с, приходящаяся на один зазор,
• , (2.11а)
• где A = i_aN/(рD_a) - линейная нагрузка якоря (число ампер, приходящихся на 1 см окружности якоря).
• Следовательно, м.д.с. якоря F_aqx изменяется линейно вдоль его окружности (рис. 2.24, б); под серединой главного полюса она равна нулю, а в точках, где установлены щетки, имеет максимальное значение. При ненасыщенной магнитной системе магнитная индукция в воздушном зазоре
• , (2.12)
• где д_x-величина воздушного зазора в точке х.
• Из (2.12) следует, что под полюсом при д_x = const индукция В_aqx изменяется линейно вдоль окружности якоря. Но в междуполюсном пространстве резко возрастает длина магнитной силовой линии, т.е. величина д_x, и индукция B_aqx резко уменьшается. В результате кривая распределения B_aqx = f(x) приобретает седлообразную форму. Кривую распределения результирующей индукции B_рез = f(x) можно получить путем алгебраического сложения ординат кривых B_в = f(x) и B_aqx = f(x). Как видно из рис. 2.24, в, максимум индукции B_макс имеет место под краями главных полюсов.
• Реакция якоря, таким образом, оказывает следующее влияние на магнитное поле машины:
• а) физическая нейтраль 0'-0' (см. рис. 2.22) смещается относительно геометрической нейтрали 0-0 на некоторый угол в;
• б) искажается кривая распределения индукции B_рез = f(x) в воздушном зазоре и возрастает индукция под краями главных полюсов, что ведет к повышению напряжения в секциях, стороны которых проходят зоны с увеличенной индукцией.
• Кроме того, как будет показано ниже, результирующий магнитный поток машины при насыщенной магнитной цепи уменьшается.
• Размагничивающее действие поперечного поля реакции якоря. Если магнитная цепь машины не насыщена, то кривая результирующей индукции в воздушном зазоре под действием реакции якоря искажается (рис. 2.24, в) но площадь ее остается равной площади кривой индукции при холостом ходе (рис. 2.24, а).
• 

Рис. 2.24 - Распределение индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока:

а-от обмотки возбуждения, б - от обмотки якоря, в-результирующее

Следовательно, результирующий поток Ф_рез при нагрузке будет равен потоку Ф_в при холостом ходе. Однако при насыщенной магнитной цепи реакция якоря будет уменьшать поток Ф_рез. Чтобы установить влияние м.д.с. F_aq на величину потока Ф_реэ, рассмотрим зависимость результирующей индукции B_рез в воздушном зазоре от результирующей м.д.с. F_peзx = F'_в ± F_aqx, действующей в некоторой точке х зазора (рис. 2.25).

Примем, что в машине насыщены только зубцы якоря. Тогда м.д.с F'_в будет расходоваться на преодоление магнитного сопротивления одного воздушного зазора и одного зубцового слоя. В точках, лежащих пол серединой полюсов, эта м.д.с. создает индукцию B_ср = B_в, так как в этих точках м.д.с. F_aqx = 0. По мере приближения к одному из краев полюса, например к правому, у полюса N (см. рис. 2.24, в) индукция B_рез будет возрастать до величины B_прx, так как здесь действует м.д.с. F'_в + F_aqx; при приближении к другому краю этого полюса (в данном случае к левому) индукция будет уменьшаться до В_левх, так как здесь действует м. д. с. F'_в-F_aqx. Однако из-за нелинейного характера зависимости B_peз=f(x) прирост индукции ДB_прx у правого края полюса будет меньше, чем снижение индукции ДB_левx. у левого края, вследствие чего результирующий поток машины уменьшится [см. косую штриховку в кривой индукции B_рез = f(x) на рис. 2.24, в].

Рис. 2.25 - Определение размагничивающего действия поперечного поля реакции якоря

Хотя снижение магнитного потока под действием м.д.с. якоря обычно невелико и составляет всего 1-3%, это существенно сказывается на характеристиках генераторов постоянного - тока и приводит к уменьшению э.д.с. Е машины при нагрузке по сравнению с э.д.с. Е₀ при холостом ходе.

Если машина работает при небольших токах возбуждения, т.е. на прямолинейной части кривой намагничивания, то редакция якоря размагничивающего действия не оказывает. Аналогичный эффект будет и при очень большом насыщении, когда машина снова работает на прямолинейном участке кривой намагничивания.

Реакция якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали. В этом случае окружность якоря с обмоткой можно разделить на четыре зоны (рис. 2.26). Две из них, охватывающие стороны секций в пределах угла 2б, образуют продольную м.д.с. F_ad

F_ad = (2a/n) A; (2.13)

две другие, охватывающие стороны секций в пределах угла (р-2а), - поперечную м.д.с.

F_a9 = [(n - 2a)/n] A. (2.13a)

Рис. 2.26 - Возникновение продольной (а) и поперечной (б) м. д. с. якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали

Продольная м.д.с. F_ad создает продольный поток Ф_аd, который может сильно увеличивать или уменьшать результирующий магнитный поток машины Ф_рез в зависимости от того, совпадает м.д.с, F_ad с м.д.с. F_в или направлена против нее. Направление определяется тем, в какую сторону сдвинуты щетки. Если щетки сдвинуты по направлению вращения генератора или против направления вращения электродвигателя, то продольная м.д.с. F_ad размагничивает машину. При сдвиге щеток в обратном направлении м.д.с. F_ad подмагничивает машину. Свойство продольной м.д.с. F_ad изменять результирующий магнитный поток Ф_рез используется в некоторых специальных машинах, например в электромашинных Усилителях с поперечным полем. Поперечная м.д.с. F_aq создает магнитный поток Ф_aq; она действует на поток Ф_рез так же, как и при расположении щеток на геометрической нейтрали.

2.6 Круговой огонь на коллекторе