Кузнецов М.И. Конспект лекций по электромеханике

Подождите немного. Документ загружается.

большой величины, так как в них число параллельных ветвей велико. Поэтому сложно-петлевые

обмотки применяются для машин большой мощности при номинальном напряжении.

4-2-4. Сложно-волновые обмотки

Сложно-волновые обмотки состоят из простых волновых обмоток. Они могут быть

однократнозамкнутые (двух ходовые) и двухкратнозамкнутыми. Основные шаги определяются:





эл





yy 

yyy 

где

2m

Число параллельных ветвей в сложно-волновой обмотке

ma 22 

Сложно-волновая обмотка применяется для машин средней мощности с повышенным

напряжением.

На практике намотку ведут по реальному шагу



, где:

- число элементарных

пазов,

- число реальных пазов.

4-2-5. Симметрия обмоток и уравнительные соединения

Обмотка состоит из параллельных ветвей, ветви обмотки совершенно одинаковы –

симметричные. В симметричной обмотке в параллельных ветвях наводятся одинаковые ЭДС и

протекают одинаковые токи, но для этого необходимо выполнить ряд условий.

Условия симметрии обмотки :

На каждую пару параллельных ветвей (

) должно приходиться одинаковое число секции (

реальных пазов (

), и полюсов (

..чц



..чц



чц



В практике этих условий недостаточно. Приходится использовать уравнительные соединения

первого рода и уравнительные соединения второго рода.

а) Уравнительные соединения первого рода.

Уравнительные соединения первого рода применяются для

выравнивания магнитной несимметрии и используются только для

петлевых обмоток.

В петлевых обмотках, каждая ветвь расположена под своим

полюсом. Но поток может быть неодинаков из-за неравномерного

зазора (просел подшипник, неправильная сборка машины), что

приводит к магнитной несимметрии. А при магнитной

несимметрии машина работает в не нормальных условиях: перегрузка отдельных ветвей,

недогрузка других. (см. рис. 171).

В обмотках при нормальных условиях имеются точки с одинаковыми потенциалами и если их

соединить уравнителями, то тока в них не будет. При нарушении магнитной симметрии в

параллельных ветвях наводятся различные ЭДС, что приводит к появлению уравнительных токов

внутри обмотки. Этот уравнительный ток ликвидирует магнитную

несимметрию. По обмотке и уравнительным соединениям протекает переменный ток.

Создается многофазная система, которая создает вращающееся поле. Это поле вращается с такой

же скоростью что и якорь, но в противоположную сторону, т. е. оно неподвижно относительно

рис. 171

полюсов. Это поле усиливает поток под полюсами где оно ослаблено и ослабляет поток, где поле

большое. Таким образом происходит выравнивание магнитной несимметрии.

Способы выполнения уравнительных соединений первого рода

Уравнительные соединения первого рода выполняются либо со стороны коллектора, либо с

противоположной стороны на изолирующих кольцах.

В обмотке имеются точки с одинаковыми потенциалами. Эти точки должны быть соединены.

Промежуток между равнопотенциальными точками одинаков. Шаг уравнительного соединения

определяется по формуле

ур



, где

- число пар параллельных ветвей.

Число

определяет число точек соединенных в один узел

Рис. 172

Пример:





ур

То одинаковый потенциал имеют следующие точки.

1371 

В примере уравнительные соединения выполнены

1482 

со стороны коллектора. Если они выполнены с -----------

противоположной стороны, то точки одинакового

18126 

, рис. 172

потенциала собираются на изолирующих кольцах.

Однако при большом количестве коллекторных пластин

полное число уравнительных

соединений не выполняется (только в специальных машинах). Обычно делают на один реальный

паз один уравнитель.

Уравнители выполняются проводом сечением

25.05.0 

от сечения провода обмотки.

Уравнительные соединения первого рода применяются только в петлевых обмотках, а в волновых

уравнительные соединения первого рода не нужны, так как число пар параллельных ветвей

1a

(одна равнопотенциальная точка). Кроме того, параллельные ветви волновой обмотки

последовательно проходят через все полюса, то магнитная несимметрия одинаково сказывается на

этих параллельных ветвях.

б) Уравнительные соединения второго рода

Уравнительные соединения второго рода применяются только для сложных обмоток: сложно-

петлевых и сложно-волновых.

Уравнительные соединения второго рода

служат для выравнивания неравномерного

распределения потенциала вдоль коллектора.

В сложных все происходит по разному,

простые обмотки лежат рядом и на

коллекторе перекрываются одной щеткой.

Если сопротивления между коллекторными

пластинами и щеткой равны, то изменение

потенциала сказывается одинаково на обеих

обмотках.

Однако переходные сопротивления (коллектор-щетка) простых обмоток не равны и

распределения токов в этих обмотках будут неравномерными. А это приведет к неравномерному

распределению потенциала на коллекторе. Для выравнивания неравномерного потенциала на

коллекторе выполняют уравнительные соединения второго рода, рис. 173.

Уравнительные соединения второго рода должны соединять коллекторные пластины простых

обмоток, имеющих при нормальных условиях одинаковые потенциалы. Шаг уравнительного

соединения

ур



Сложно-петлевые обмотки имеют уравнительные соединения первого и второго рода.

Сложно-волновые обмотки имеют только уравнительные соединения второго рода.

4-2-6. Смешанная (лягушечья) обмотка

Секции этой обмотки представляют собою

комбинацию простых обмоток (петлевой и волновой),

рис. 173 , а. Эта обмотка применяется для машин большой

мощности. В этой обмотке уравнительные соединения

не нужны.

В роли уравнителя первого рода служит секция волновой

обмотки, в роли уравнителя второго рода служит

секция петлевой обмотки.

Рис. 173, а

4-2-7. Расчет магнитной цепи машины постоянного тока.

Расчет магнитной цепи машины постоянного тока сводится к тому, чтобы определить

намагничивающую силу необходимую для создания в воздушном зазоре потока

который создает заданную ЭДС в обмотке якоря.

Магнитную цепь обычно рассчитывают на пару полюсов. Так как участки магнитной цепи

имеют различное сечение и выполнены из различных материалов то считают, что на

каждом участке напряженность магнитного поля постоянная.

Рис. 174

При расчете магнитной цепи рассматривают следующие участки:

1. воздушный зазор -



2. зубцовая зона якоря -

Рис. 173



3. спинка якоря -

4. полюса -

5. ярмо станины -

Магнитная цепь на пару полюсов представлена на рис. 174.

1. Расчет магнитного напряжения воздушного зазора.

При зубчатом якоре индукция имеет сложный

характер (рис…). Действительную картину

магнитной индукции заменяют равновеликим

прямоугольником (

',вВ



), где

'в

- расчетная величина полюсной дуги



- расчетный коэффициент полюсной дуги

Рис. 175

(

7262.0 







'в











Распределение индукции вдоль оси представлено на рис. 176.

Где:

- длина полюса,

- длина якоря,

- расчетная длина якоря,

- длина без вентиляционных каналов.

kka

вnll 

)(5,0' lll



Рис. 176

Гладкий якорь.

Поток

'''

lВlвВФ 



, откуда









, т.к.





Н 

, то магнитное

напряжение гладкого якоря равно









Зубчатый якорь.

Зубчатый якорь при расчете приводят к гладкому, при этом





k'

, где



- расчетная

величина зазора,



- коэффициент зазора







, тогда магнитное напряжение зубчатого якоря определится







F 

2. Магнитное напряжение зубцовой зоны, рис. 177.



Магнитное напряжение зубцовой зоны

рассчитывают на одно зубцовое деление.

- зубцовое деление,







Считается, если индукция зубца

8.1

Тл,

то весь поток зубцового деления проходит

через зубец, а если

8.1

Тл , то часть

потока проходит через зазор, т.е.

пхзхtx

ФФФ 

Рис. 177

Разделим это выражение на

зх

, получим

зх

пх

зх



, где

зх

'

- расчетная величина индукции,

зх



- реальная индукция зубца,

зх

пх

- индукция в пазу. Запишем

зхпхзхпх

зх

пх

зх

пз

КНКВ





, так как

пхзх

НН 

, то

зхпхзхзх

КНВВ 



, где

зх

зубцовый коэффициент.

По этой формуле строится зависимость

 

зз

HfВ '

при различных коэффициентах

зх

., рис. 178

По заданной

зх

определяется

зх

зхзх

КН 



(точка

Рис. 178

Расчетная индукция исходит из того, что весь поток зубцового деления проходит через

зубец, т.е.

tзх

ФФ 

''' ltВКlвВ

cзхзх





, откуда

cзх

зх

Кlв

ВВ







, где

92,09,0 











сзх

зх

зхtx

зх

Кlв

Находим расчетную индукцию для трех значений зубца (

2,1, зззср

ввв

) при различных

коэффициентах

зх

(рис…).

сз

Кlв

ВВ











сзср

зср

Кlв

ВВ











сз

Кlв

ВВ











Зная марку стали, определяем напряженность для трех значений зубца.

111

ззз

НКВ 

, определяем расчетную напряженность зубца.

зсрзсрзср

НКВ '

).4(

21 ззсрзз

НННН 

пх

=0.5

322

ззз

НКВ 

Магнитная напряженность зубцовой зоны

ззз

hНF 

3. Магнитное напряжение спинки якоря.



, индукция спинки якоря

сa

Кlh





Для данной марки стали определяем

аа

НВ 

Магнитное напряжение спинки якоря

aaa

LHF 

, где

).2(

3 aаa

hhД

L 



4.Магнитное напряжение полюсов и ярма.

Поток полюса

,)1(



КФ

ФФФФ



где



- поток рассеяния,



- коэффициент рассеяния. (

2,11,1 



Индукция полюса

мм

lв

В 

, зная материал полюса по

мм

НВ 

Магнитное напряжение полюса

мям

hНF 2

Поток ярма

0м



КФФ





индукция ярма

яяя

КФ





, по

яя

НВ 

Магнитное напряжение ярма

яяя

LНF 

, где

).22(

ямая

hhД

L 





Определяем намагничивающую силу на пару полюсов

ямa

FFFFFF 



, по

заданной ЭДС

определяем поток

nС



.constn 

Задавшись различными значениями потока

)25.1;0.1;75.0;5.0;25.0( Ф

определяем

и стоим кривую намагничивания, рис. 179.

Где



Faв 

, коэффициент насыщения.



ав

ас



3.11.1 

получим характеристику холостого хода,

зная

nФCE

e 00



вв

WiF 2



Рис. 179

Итак, рассчитав магнитную цепь на пару полюсов, определяем намагничивающую

силу

необходимую для проведения заданного магнитного потока

по

всем участкам магнитной цепи.

)

(Е

)

4-3. ЭДС обмотки якоря

При вращении якоря секции проходят под полюсами,

при этом в них наводится ЭДС

BlVe 

. Но индукция по

всей площади полюсного деления не одинакова (рис.

180), к краям она уменьшается из-за большого

сопротивления воздуха. Поэтому в расчетах берется

средняя индукция.

Обмотка якоря имеет

проводников.

Если обмотка якоря имеет

параллельных ветвей,

то на одну параллельную ветвь будет приходиться

проводников. Поэтому для определения ЭДС обмотки якоря достаточно определить ЭДС одной

параллельной ветви. Общая ЭДС ветви будет определяться суммой ЭДС в отдельных проводниках.

lVB

срa







, где

- число оборотов в минуту. Выразим величину (



)

через число полюсов (

) и полюсное деление (





pD 2

тогда

nlB

Npnp

срсрa









6060

, где

ФlB

ср





- поток одного полюса,



, где

коэффициент зависящий от конструкции двигателя.

Окончательно

nФCE



ЭДС якоря зависит от потока и скорости вращения.

4-4. Реакция якоря в машинах постоянного тока

В режиме холостого хода генератора постоянного тока ток возбуждения создает основной

поток, который при вращении якоря наводит в обмотке якоря ЭДС. Поток при холостом ходе

имеет симметричный характер, рис. 181. Если якорную цепь подключить к нагрузке, то по обмотке

якоря будет протекать ток, который создаст свой поток.

Взаимодействие потока якоря с потоком основных полюсов и называется реакцией якоря.

Картину распределения потока якоря можно представить на рис. 182.

При холостом ходе генератора ЭДС, наводимая в обмотке якоря, определяется по правилу

правой руки. Подключив нагрузку, в якоре появится ток с тем же направлением что и ЭДС. Ток

создаст поток, который, взаимодействуя с потоком основных полюсов, создаст результирующий

поток. За счет потока якоря набегающий край полюса будет размагничиваться, а сбегающий край

полюса намагничиваться, рис. 183. Физическая нейтраль у генератора будет сдвигаться по ходу

вращения якоря. Она перпендикулярна результирующему потоку.

Рис. 181 Рис. 182 Рис. 183

Реакция якоря у двигателя противоположна генератору.

Генератор

Двигатель

Рис. 180

При одинаковом направлении вращения якоря, независимо от режима работы, направление

ЭДС в якоре одинаково. В двигательном режиме ток якоря направлен встречно ЭДС, поэтому

реакция якоря двигателя противоположна генератору, т.е. набегающий край полюса будет

намагничиваться, а сбегающий край полюса размагничиваться.

Рассмотрим намагничивающую силу реакции якоря, магнитную индукцию якоря и

результирующую индукцию на полюсном делении.

Для рассмотрения намагничивающей силы реакции якоря введем понятие о линейной нагрузке

якоря – ток приходящийся на единицу длины окружности якоря.

)(





Путем введения этой величины можно условно заменить зубчатый якорь гладким, у которого

линейная нагрузка равномерно распределена по всей поверхности. У реального якоря ток

находится только в пазах, что осложняет расчет.

По закону полного тока следует, что намагничивающая сила по замкнутому контуру равна

полному току, который охватывается этим контуром, а полный ток на данной длине определяется

линейной нагрузкой.

Поэтому намагничивающая сила реакции якоря

xAF

2

- линейный закон.

При

0x

0

;



x





Определим закономерность индукции якоря.

AxA

axax



















- линейный

закон сохраняется под полюсами, а между полюсами

за счет большого сопротивления воздуха кривая

индукции имеет провал. (

), рис. 184. При

холостом ходе индукция

имеет вид близкий к

трапеции.

Результирующая кривая индукции

имеет искаженный характер, т. е. набегающий край

полюса размагничивается, а сбегающий намагничивается. Щетки установлены на нейтрали.

Реакция якоря при этом будет поперечная, рис. 185.

Рис.185 Рис. 186 Рис. 187

Если щетки установить вдоль полюсов, реакция якоря будет продольно размагничивающая,

рис. 186. Если щетки генератора сдвинуть на дугу (

) по направлению вращения то реакцию

якоря можно разложить по осям, рис. 187

)2( bcAF





bcAF

2

где:

- поперечная ось

- продольная ось.

Поперечная намагничивающая сила искажает магнитный поток, а продольная размагничивает.

Реакция якоря влияет на все характеристики генераторов постоянного тока.

Рис. 184

4-5. Генераторы постоянного тока

Генератор постоянного тока преобразует механическую энергию в электрическую. В

зависимости от способов соединения обмоток возбуждения с якорем генераторы

классифицируются:

1. генератор независимого возбуждения, рис. 188.

2. генераторы с самовозбуждением:

а) генератор параллельного возбуждения, рис. 189.

б) генератор последовательного возбуждения, рис. 190.

в) генератор смешанного возбуждения, рис. 191.

Энергетическая диаграмма генератора независимого возбуждения (рис. 192).

- механическая мощность на валу

- электромагнитная мощность

- отдаваемая электрическая мощность

щэлмхмг

PPPP ,,,

- потери магнитные,

механические, электрические, потери в щеточном

контакте.

aaмгмхa

JEppPP  )(

aaaa

амaaaaщамaaaщэлaa

RJJE

RJJEJURJJEppPUJP

222

)()()( 





Разделив

уравнение на ток якоря

, получим:

aaa

RJEU 

или

aaa

RJUE 

4-5-1. Электромагнитный момент генератора постоянного тока

Сила, воздействующая на проводник с током равна

Blif 

рис. 193. Для расчета принимаем индукцию на полюсном делении

среднюю величину. Ток во всех проводниках одинаков,

индукция средняя, каждый проводник практически

пересекает магнитную линию перпендикулярно. Исходя из

этого, можно суммарную силу всех проводников сосредоточить в

одном проводнике.

liNBF

ср



, где

- число проводников обмотки якоря.

Электромагнитный момент

Рис. 188

Рис. 189

Рис. 190

Рис. 191

Рис. 192

}∆U

FM 

ср

liNBM 

Рис. 193

заменим





2







,получим

aмaср

ср

ФJCJlB

lBM 







где:





ФlB

ср





- поток, тогда

Электромагнитный момент зависит от потока и тока якоря. В генераторном режиме

электромагнитный момент является тормозным. Уравнение равновесного состояния моментов

запишется

MMM



, где:

- механический момент на валу генератора

- момент холостого хода

- электромагнитный момент

4-5-2. Генератор независимого возбуждения

Схема включения генератора независимого возбуждения представлена на рис. 194.

Свойства генератора определяются его характеристиками.

1.Характеристика холостого хода:

)(

вa

ifE 

0

constn 

, рис. 195

Пунктирная - расчетная характеристика холостого хода.

Характеристика холостого хода позволяет судить о степени насыщения магнитной цепи.

2. Нагрузочная характеристика:

)(

ifU 

constJJ

нa



constn 

рис.47.

Треугольник

ABC

- характеристический. Катет

RJBC 

- ток возбуждения, который

идет на компенсацию реакции якоря.

100

aм

ФJCM 

Рис. 194

Рис. 195