В каких машинах применяют волновые обмотки

Простая петлевая и простая волновая обмотки машин постоянного тока

Простая петлевая обмотка

Существует несколько способов обозначения обмоток машин постоянного тока. Наиболее распространенным является развертка.

Номер коллекторной пластины должен соответствовать номеру паза, в котором лежит активная сторона секции. У петлевой обмотки шаг по коллектору y=±1.

y_к — это расстояние между концами секции, выраженное в коллекторных пластинах или зубцовых делениях.

Если шаг по коллектору y_к=+1, обмотка называется правоходовая, если y_к=-1, обмотка называется левоходовая.

Количество щеток должно быть равно количеству полюсов.

E=0 — диаметральная обмотка;
E>0 — удлиненная обмотка;
E

Петлевая обмотка обладает определенными свойствами. Расстояние между активными сторонами секции, следующими друг за другом по электрической схеме, называется шаг обмотки и обозначается y.

Свойства простой петлевой обмотки машины постоянного тока:
1. y=±1
Расстояние от 2 до 7 (рисунок выше) обозначается y₂.
y₂ — вторичный шаг обмотки — расстояние между неактивной стороной секции и активной стороной секции, следующей за ней по электрической схеме.
2. y=y₁-y₂
3. y_к=±1=y
4. 2a=2p,
где a — число пар параллельных ветвей;
p — число пар полюсов.

Название обмотки — петлевая обмотка — выбрано в соответствии с ее начертанием на развертке.

Простая волновая обмотка

Кроме y₁ для простой волновой обмотки нужно рассчитать шаг по коллектору y_к.

Источник

Применение петлевой и волновой обмотки.

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). 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.

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

1 – коллекторные пластины; 2 – секции обмотки

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

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)

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, 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 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 рисунке 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.

Рисунок 5.16. Схемы подключения обмотки якоря к пластинам коллектора

Следовательно, коллектор 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.

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.

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

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.

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

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_мах 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.

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?

Источник

Простая волновая обмотка

Общие положения

Мысленно обходя последовательно соединенные секции простой волновой обмотки, мы совершаем волнообразный обход якоря, причем каждый обход включает p секций и заканчивается на коллекторной пластине, которая находится слева или справа рядом с исходной (рисунок 1). В первом случае (рисунок 1, а), получается неперекрещенная обмотка, а во втором (рисунок 1, б) – перекрещенная. Во втором случае расход меди будет несколько больше. Рассматриваемую обмотку называют также простой последовательной обмоткой.

В соответствии со сказанным между шагом по коллектору y_к (рисунок 1) и числом коллекторных пластин K простой волновой обмотки существует зависимость

Знак минус относится к неперекрещенной обмотке, а знак плюс – к перекрещенной. Поскольку шаг y_к = y должен быть целым числом, то K не может принимать произвольных значений.

Шаг y₁ определяется по формуле (1), представленной в статье «Электродвижущая сила секций», и выражению

Симметричная волновая обмотка

Ознакомимся со свойствами простой волновой обмотки на примере обмотки с 2×p = 4 и Z = Z_э = S = K = 17. Возьмем при этом

Порядок соединений секционных сторон обмотки определяется таблицей на рисунке 2, а схема обмотки имеет вид, показанный на рисунке 3. Ряд секций, выделенных на рисунке 3 жирными линиями, в отличие от секций петлевых обмоток замыкается накоротко через две щетки одной полярности и соединительные провода между ними. Короткозамкнутые секции обведены рамкой также и на рисунке 2

Рисунок 2. Таблица соединений секционных сторон простой волновой обмотки, показанной на рисунке 3

На рисунке 4 построены звезда электродвижущих сил секций и векторная диаграмма электродвижущих сил обмотки, представленной на рисунке 3. Масштаб звезды электродвижущих сил в два раза больше масштаба многоугольника электродвижущих сил.

Как следует из рисунка 2, 3 и 4, обмотка имеет две параллельные ветви. Одна из них содержит секции 17, 8, 16, 7, 15, 6, присоединена своими концами к коллекторным пластинам 17, 14 и расположена, таким образом, между щетками А2, В2. Другая ветвь содержит секции 13, 4, 12, 3, 11, 2, присоединена концами к пластинам 13, 10 и расположена между щетками В2, А1.

Полученный вывод носит общий характер: всякая простая волновая обмотка имеет число параллельных ветвей

и векторная диаграмма электродвижущих сил такой обмотки всегда состоит из одного многоугольника.

Поскольку каждая из ветвей простой волновой обмотки проходит под всеми полюсами, то неравенство потоков полюсов не вызывает неравенства электродвижущих сил и токов параллельных ветвей. Поэтому такая обмотка не нуждается в уравнительных соединениях.

Более того, согласно выражению (5), представленному в статье «Простая петлевая обмотка», и выражению (1), данной статьи, шаг y_п в простой волновой обмотке является нецелым числом, и поэтому равнопотенциальных точек не имеется, что видно также из рисунка 4.

При волновой обмотке на коллекторе можно установить только два щеточных пальца, например А1 и В2 на рисунке 3, так как все щетки данной полярности соединены короткозамкнутыми секциями, через которые ток нагрузки распределяется по параллельно работающим щеткам каждой полярности. Два щеточных пальца примут на себя весь ток нагрузки. Эта возможность иногда используется в машинах мощностью до 0,5 кВт, если доступ для ухода за щетками по всей окружности коллектора затруднен. Однако условия коммутации при этом ухудшаются. Кроме того, в более мощных машинах возникает необходимость удлинять коллектор. Поэтому обычно ставится полный комплект (2×p) щеточных пальцев.

При а = 1 условия симметрии, описанные выражениями (5), (6) и (7) в статье «Общие сведения о якорных обмотках машин постоянного тока», удовлетворяются при любых p, Z, u_п и K. Однако возможности выбора этих величин ограничиваются соотношением (1), настоящей статьи, которое при подстановке K = u_п × Z принимает вид

Поскольку шаг y_к должен быть целым числом, то отсюда видно, что, например, при четных p как Z, так и u_п должны быть нечетными (u_п = 1, 3, 5…).

Простая волновая обмотка с мертвой секцией

Трудности в соблюдении равенства (1) или (4) в ряде случаев обходят, используя несимметричные обмотки. Например, при четных p и Z_э = u_п × Z можно применить обмотку с K = Z_э – 1 и оставить одну секцию неиспользованной, или «мертвой». У этой секции обрезаются концы, и она не присоединяется к коллектору (секция оставляется на якоре, чтобы не нарушать балансировки).

Схема такой обмотки для 2×p = 4, Z_э = 16 и K = 15 показана на рисунке 5, причем принято, что

При обходе обмотки и счете шагов стороны мертвой секции исключаются.

Рисунок 5. Схема простой волновой обмотки с мертвой секцией с 2×p = 4, Z = Z_э = 16, K = 15, y₁ = 4, y₂ = 4, y_к = 8

Искусственно замкнутая простая волновая обмотка

Предположим, что Z_э = S = K = 16 и 2×p = 4. Шаги обмотки выберем из предположения, что Z_э, S и K на единицу больше, то есть Z_э = S = K = 17. При этом, согласно выражению (1), можно взять

Исходя из таких значений шагов, составляем схему обмотки (рисунок 6), начиная, например, с пластины 1. При первом обходе вокруг якоря проходим секции 1 и 1 + 8 = 9 и должны были бы прийти к пластине 9 + 8 = 17. Второй обход должен был бы включать в себя секции 17 и 8. Однако, поскольку секции 17 и пластины 17 нет, то после завершения первого обхода конец секции 9 с помощью обходной перемычки непосредственно соединяем с пластиной 8 и началом секции 8. После этого ход обмотки следует по обычным правилам с тем лишь отличием, что каждый второй результирующий шаг сокращается на единицу.

Рисунок 6. Схема искусственно замкнутой простой волновой обмотки с 2×p = 4, Z = Z_э = S = K = 16, y₁ = 4, y₂ = 4, y_к = 8

Рассмотренные несимметричные волновые обмотки находят применение в машинах мощностью до нескольких десятков киловатт и работают вполне удовлетворительно.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Источник

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 2рглавных 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;

Щёточный аппарат – для соединения коллектора с внешней цепью.

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.

Обмотка якоря состоит из отдельных секций. Секцией называ­ют часть обмотки, расположенную между двумя коллекторными пластинами, следующими одна за другой по ходу обмотки. Число секций Sв 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).

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.

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 КП2и 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).

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

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

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.

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.

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

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.

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.

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);

Источник