Устранение вредного влияния реакции якоря

Петлевые обмотки якоря

Основные понятия. Обмотка якоря машины постоянного тока представляет собой замкнутую систему проводников, определенным образом уложенных на сердечнике якоря и присоединенных к коллектору. Элементом обмотки якоря является секция (катушка), присоединенная к двум коллекторным пластинам. Расстояние между пазовыми частями секции должно быть равно или мало отличаться от полюсного деления τ (рисунок 10):

 

τ=π D _а/(2 р) (1)

 

Здесь D _а -диаметр сердечника якоря, мм.

Обмотки якоря обычно выполняют двухслойными. Они характеризуются следующими параметрами: числом секции S; числом пазов (реальных) Z;чис­лом секций, приходящихся на один паз, S_п = S/Z; числом витков секции w_c;числом пазовых сторон в обмотке N; числом пазовых сторон в одном пазу п _п =N /Z =2w_cS _п.Верхняя пазовая сторона одной секции и нижняя пазовая сторона другой секции, лежащие в одном пазу, образуют элементарный паз. Число элементарных пазов в реальном пазе Z_попре­деляется числом секций, приходящихся на один паз: S _п = S/Z(рисунок 11).

Схемы обмоток якоря делают развернутыми, при этом все секции показывают одновитковыми. В этом случае каждой секции, содержащей две пазо­вые стороны, соответствует один элементарный паз. Концы секций присоединяют к коллекторным пласти­нам, при этом к каждой пластине присоединяют на­чало одной секции и конец другой, т. е. на каждую секцию приходится одна коллекторная пластина. Таким образом, для обмотки якоря справедливо S = Z_э =К, где Z_э— число элементарных пазов; К — число коллекторных пластин в коллекторе. Число секций, приходящихся на один реальный паз, опре­деляется отношением Z_э/Z.

Простая петлевая обмотка якоря. В простой пет­левой обмотке якоря каждая секция присоединена к двум рядом лежащим коллекторным пластинам. При укладке секций на сердечнике якоря начало каждой последующей секции соединяется с концом предыдущей, постепенно перемещаясь при этом но поверхности якоря (и коллектора) так, что за один обход якоря укладывают все секции обмотки. В результате конец послед­ней секции оказывается присоединенным к началу нерпой секции, т. е. обмотка якоря замыкается.

 

 

Рисунок 10 - Расположение пазовых сторон секции на сердечнике якоря

 

Рисунок 11 - Элементарные пазы

 

На рисунок 12, а, б изображе­ны части развернутой схемы простой петлевой обмотки, на которых показаны шаги обмот­ки — расстояния между пазо­выми сторонами секций по яко­рю: первый частичный шаг по якорю у₁, второй частичный шаг по якорю у₂ и результирующий шаг по якорю у.

Если укладка секций обмот­ки ведется слева направо по якорю, то обмотка называется правоходовой (рисунок 12, a), a если укладка секций ведется справа налево, то обмотка на­зывается левоходовой (рисунок 12,б). Для правоходовой об­мотки результирующий шаг:

 

У= у₁- у₂ (2)

 

Расстояние между двумя коллекторными пластинами, к которым присоединены начало и конец одной секции, назы­вают шагом обмотки по коллек­тору у_к . Шаги обмотки по якорю выражают в элементарных пазах, а шаг по коллектору — в коллекторных делениях (пластинах). Начало и конец каждой секции в простой петлевой обмотке присоединены к рядом лежащим коллекторным пластинам, следо­вательно, у = у_к=±1, где знак плюс соответствует правоходовой обмотке, а знак минус левоходовой.

Для определения всех шагов простой петлевой обмотки дос­таточно рассчитать первый частичный шаг по якорю:

 

у₁= [Z_э /(2 р)] ±ε (3)

 

где ε — некоторая величина, меньшая единицы, вычитая или сум­мируя которую получают значение шага у₁, равное целому числу. Второй частичный шаг обмотки по якорю

у₂= у₁±у = у₁±1 (4)

 

Пример 1. Рассчитать шаги и выполнить развернутую схему простои петлевой обмотки якоря для четырехполюсной машины (2р = 4) постоянного тока. Обмотка правоходовая, содержит 12 секций.

Решение. Первый частичный шаг по якорю по (3)

у₁ = Z_э /(2p) ± ε = (12/4) ±0 = 3 паза. Второй частичный шаг по якорю по (4)

у₂ = у₁— у = 3— 1 = 2 паза.

 

 

 

 

Рисунок 12 - Простая петлевая обмотка:

а – правоходовая; б – левоходовая; в – развернутая схема.

Прежде чем приступить к выполнению схемы обмотки, необ­ходимо отметить и пронумеровать все пазы и секции, нанести на предполагаемую схему контуры магнитных полюсов и указать их полярность (3, в). При этом нужно иметь в виду, что отме­ченный на схеме контур является не полюсом, а зеркальным ото­бражением полюса, находящегося над якорем. Затем изобража­ют коллекторные пластины и наносят на схему первую секцию, пазовые части которой располагают в пазах 1 и 4. Коллекторные пластины, к которым присоединены начало и конец этой секции, обозначают 1 и 2. Затем нумеруют все остальные пластины и наносят на схему остальные секции (2, 3, 4 и т. д.). Последняя секция 12 должна замкнуть обмотку, что будет свидетельство­вать о правильном выполнении схемы.

Далее на схеме изображают щетки. Расстояние между щет­ками А к В должно быть равно К /(2р) = 12/4 = 3, т.е. дол­жно соответствовать полюсному делению. Что же касается расположения щеток на коллекторе, то при этом следует руковод­ствоваться следующим. Предположим, что электрический контакт обмотки якоря с внешней цепью осуществляется не через кол­лектор, а непосредственно через пазовые части обмотки, на кото­рые наложены «условные» щетки (рисунке 13, а). В этом случае наибольшая ЭДС машины соответствует положению «условных» Щеток на геометрической нейтрали. Но так как кол­лекторные пластины смещены относительно пазовых сторон соединенных с ними секций на 0,5 τ (рисунок 13,б), то, переходя к реальным щеткам, их следует расположить на коллекторе по оси главных полюсов, как это показано на рисунке 13, в.

При определении полярности щеток предполагают, что маши­на работает в генераторном режиме и ее якорь вращается в направлении часовой стрелки. Воспользовавшись правилом «правой руки», находят направление ЭДС (тока), наве­денной в секциях. В итоге получаем, что щетки А₁ и A₂, от кото­рых ток отводится во внешнюю цепь, являются положительными, а щетки B₁ и В₂ - отрицательными. Щетки одинаковой поляр­ности присоединяют параллельно к выводам соответствующей полярности.

Рисунок 13 - Расположение условных (а) и реальных (б) щеток

Параллельные ветви обмотки якоря. Если проследить за про­хождением тока в секциях обмотки якоря (см. рисунок 12, в), то можно заметить, что обмотка состоит из четырех участков, соеди­ненных параллельно друг другу и называемых параллельными ветвями. Каждая параллельная ветвь содержит несколько после­довательно соединенных секций с одинаковым направлением тока в них. Распределение секций в параллельных ветвях показано на электрической схеме обмотки (рисунок 14). Эту схему получают из развернутой схемы обмотки (см. рисунок 12, в) следующим обра­зом. На листе бумаги изображают щетки и имеющие с ними кон­такт коллекторные пластины, как это показано на рисунке 14. Затем совершают обход секций обмотки начиная с секции 1, которая оказывается замкнутой накоротко щеткой В₁. Далее идут секции 2 и 3, которые образуют параллельную ветвь. Таким же об­разом обходят все остальные секции. В результате получаем схему с четырьмя параллельными ветвями, по две секции в каж­дой ветви.

Из полученной схемы следует, что ЭДС обмотки якоря опре­деляется значением ЭДС одной параллельной ветви, тогда как значение тока обмотки определяется суммой токов всех ветвей обмотки:

 

I_а = 2ai_a (5)

где 2а - число параллельных ветвей обмотки якоря;

i _а - ток одной параллельной ветви.

В простой петлевой обмотке число параллельных ветвей рав­но числу главныхполюсов машины :2а = 2р.

Нетрудно заметить, что число параллельных ветвей в обмотке якоря определяет значение основных параметров машины — тока и напряжения.

Пример 2. Шестиполюсная машина постоянного тока имеет на якоре прос­тую петлевую обмотку из 36 секций. Определить ЭДС и силу тока в обмотке якоря машины, если в каждой секции наводится ЭДС 10 В, а сечение провода секции рассчитано на ток не более 15 А.

Решение. Число параллельных ветвей в обмотке 2а=2р = 6, при этом а каждой параллельной ветви S_п = S/(2a) = 36/6 = 6 секций. Следовательно, ЭДС обмотки якоря Е_а = 6*10 = 60 В, а допустимый ток машины I_а = 6*15=90 А.

Если бы машина при прочих неизменных условиях имела восемь полюсов, то ее ЭДС уменьшилась бы до 40 В, а ток увеличился бы до 120 А.

 

Рисунок 14 - Электрическая схема обмотки

Тема: Построение простой волновой обмотки.

 

2. Волновые обмотки якоря

Простая волновая обмотка. Простую волновую обмотку полу­чают при последовательном соединении секций, находящихся под разными парами полюсов (рисунок 15). Концы секций простой волновой обмотки присоединены к коллекторным пластинам, уда­ленным друг от друга па расстояние шага обмотки по коллекто­ру у_к = у. За один обход по якорю укладывают столько секций, сколько пар полюсов имеет машина, при этом конец последней по обходу секции присоединяют к пластине, расположенной ря­дом с исходной.

Простую волновую обмотку называют левоходовой, если ко­нец последней по обходу секций присоединяется к пластине, находящейся слева от исходной (рисунок 15, а). Если же эта плас­тина находится справа от исходной, то обмотку называют правоходовой (рисунок 15,б). Секции волновой обмотки могут быть од-новитковыми и многовитковыми. Шаг простой волновой обмотки по коллектору

у_к = у =(К ± 1)=(К ± 1)/р (6)

Знак минус соответствует левоходовой обмотке, а знак плюс правоходовой. Правоходовая обмотка не получила прак­тического применения, так как ее выполнение связано с дополни­тельным расходом меди на перекрещивание лобовых частей.

Первый частичный шаг обмотки определяют по (3), а второй частичный шаг у₂ = у — у₁.

Пример 3. Четырехполюсная машина постоянного тока имеет простую волновую обмотку якоря из 13 секций. Построить развернутую схему и схему параллельных ветвей этой обмотки.

Решение. Шаги обмотки: у_к= у = (К ± 1)/р = (13 — 1)/2 = 6 пазов; у₁= [Z_э ,/(2р) ]± ε = 13/4 - 0,25 = 3паза; у₂ =у- у₂, = 6-3 = 3паза.

При первом обходе по якорю укладываем секции 1 и 7 (рисунок 15, в). При втором обходе укладываем секции 13 к 6 и т. д., пока не будут уложены все 13 секций и обмотка не ока­жется замкнутой. Секции 3, 6 и 9 в рассматриваемый момент времени замкнуты накоротко через щетки одинаковой полярности и провода, соединяющие их. Затем определяем полярность ще­ток. Далее выполняем электрическую схему (схему параллельных ветвей), из которой видно (рисунок 16), что обмотка состоит из двух параллельных ветвей (2а = 2). Это является характерным для простых волновых обмоток, у которых число параллельных ветвей не зависит от числа полюсов и всегда равно двум.

 

 

Рисунок 15 - Простая волновая: а – правоходовая; б – левоходавая; в – развернутая.

 

 

Рисунок 16 - Электрическая схема обмотки

 

Из рассмотренных схем видно, что секции, входящие в одну параллельную ветвь, равномерно распределены под всеми полю­сами машины. Следует также отметить, что в простой волновой обмотке можно было бы обойтись двумя щетками, например щет­ками В₂ и А₂. Но в этом случае нарушилась бы симметрия обмотки и число секций в параллельных ветвях стало бы неоди­наковым: в одной ветви семь секций, а в другой — шесть. Поэто­му в машинах с простыми волновыми обмотками устанавливают полный комплект щеток, столько же, сколько главных полюсов, тем более что это позволяет уменьшить значение тока, приходя­щегося на каждую щетку, а следовательно, уменьшить размеры коллектора.

 

Тема: Реакция якоря машины постоянного тока

Приработе машины в режиме х.х. ток в обмотке якоря практически отсутствует, а поэтому в машине действует лишь МДС обмотки возбуждения FВ0. Магнитное поле машины в этом случае симметрично относительно оси полюсов (рисунок 17,а). График распределения магнитной индукции в воздушном зазоре представляет собой кривую, близкую к трапеции.

Если же машину нагрузить, то в обмотке якоря появится ток, который создаст в магнитной системе машины МДС якоря F_a. Допустим, что МДС возбуждения равна нулю и в машине дей­ствует лишь МДС якоря. Тогда магнитное поле, созданное этой МДС, будет иметь вид, представленный на рисуноке 17, б. Из этого рисунка видно, что МДС обмотки якоря направлена по линии щеток (в данном случае по геометрической нейтрали). Несмотря на то, что якорь вращается, пространственное положение МДС обмотки якоря остается неизменным, так как направление этой МДС определяется положением щеток.

Наибольшее значение МДС якоря — на линии щеток (рисунок 17,б кривая 1), а по оси полюсов эта МДС равна нулю. Однако распределение магнитной индукции в зазоре от потока якоря совпадает с графиком МДС лишь в пределах полюсных наконечников. В межполюсном пространстве магнитная индукция резко ослабляется (рисунок 17,б кривая 2). Объясняется это увеличением магнитного сопротивления потоку якоря в межпо­лосном пространстве. МДС обмотки якоря "на пару полюсов пропорциональна числу проводников в обмотке N и току якоря Ia:

 

F_a= NI_a /(4ap) (7)

 

Введем понятие линейной нагрузки (А/м), представляющей собой суммарный ток якоря, приходящийся на единицу длины его окружности по наружному диаметру якоря D_a:

 

А = Nia/( D_a), (8)

 

где i_a = la / (2a) — ток одного проводника обмотки, А.

Значение линейной нагрузки для машин постоянного тока об­щего назначения в зависимости от их мощности может быть (100ч 500) 10² А/м. Воспользовавшись линейной нагрузкой, запишем выражение для МДС якоря: F_a = A . Таким образом, в нагружен­ной машине постоянного тока действуют две МДС: возбуждения Fв0 и якоря F_a.

Влияние МДС обмотки якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Реакция якоря искажает магнитное поле машины, делает его несимметричным относительно оси полюсов.

 

 

 

Рисунок 17 - Магнитное поле машины и распределение магнитной индукции в воздушном зазоре

 

На рисунке 17, в показано распределение магнитных силовых линий результирующего поля машины, работающей в генератор­ном режиме при вращении якоря по часовой стрелке. Такое же распределение магнитных линий соответствует работе маши­ны в режиме двигателя, но при вращении якоря против часовой стрелки. Если принять, что магнитная система машины не насыщена, то реакция якоря будет лишь искажать результи­рующий магнитный поток, не изменяя его значения: край полюса и находящийся по ним зубцовый слой якоря, где МДС якоря совпадает по направлению с МДС возбуждения, подмагничиваются; другой край полюса и зубцовый слой якоря, где МДС направлена против МДС возбуждения, размагничиваются. При этом результирующий магнитный поток как бы поворачивается относительно оси главных полюсов на некоторый угол, а физи­ческая нейтраль mm' (линия, проходящая через точки на якоре, в которых индукция равна нулю) смещается относительно гео­метрической нейтрали nn' на угол . Чем больше нагрузка машины, тем сильнее искажение результирующего поля, а сле­довательно, тем больше угол смещения физической нейтрали.

При работе машины в режиме генератора физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, а при работе дви­гателем - против вращения якоря.

Искажение результирующего поля машины неблагоприятно отражается на ее рабочих свойствах. Во-первых, сдвиг физи­ческой нейтрали относительно геометрической приводит к более тяжелым условиям работы щеточного контакта и может послу­жить причиной усиления искрения на коллекторе. Во-вторых, искажение результирующего поля машины влечет за собой перераспределение магнитной индукции в воздушном зазоре машины. На рисунке 17, в показан график распределения результирующего поля в зазоре, полученный совмещением кри­вых, изображенных на рисунке 17, а, б. Из этого графика следует, что магнитная индукция в зазоре машины распределяется не­симметрично относительно оси полюсов, резко увеличиваясь под подмагниченными краями полюсов. Это приводит к тому, что мгновенные значения ЭДС секций обмотки якоря в моменты попадания их пазовых сторон в зоны максимальных значений магнитной индукции (под подмагниченные края полюсных нако­нечников) резко повышаются. В результате возрастает напря­жение между смежными коллекторными пластинами U_к. При значительных нагрузках машины напряжение U_K может превзой­ти допустимые пределы и миканитовая прокладка между смежными пластинами будет перекрыта электрической дугой. Имеющиеся на коллекторе частицы графита будут спо­собствовать развитию электрической дуги, что приведет к возник­новению мощной электрической дуги, перекрывающей весь кол лектор или значительную его часть, - явления чрезвычайно опасного.

Таковы последствия влияния реакции якоря на машину с ненасыщенной магнитной системой. Если же магнитная система машины насыщена, что имеет место у большинства элек­трических машин, то подмагничивание одного края полюсного наконечника и находящегося под ним зубцового слоя якоря происходит в меньшей степени, чем размагни­чивание другого края и находящегося под ним зубцового слоя якоря происходит в меньшей степени, чем размагничивание другого края находящегося под ним зубцового слоя якоря.

Это благоприятно ска­зывается на распреде­лении магнитной индук­ции в зазоре, которое становится более рав­номерным, так как мак­симальное значение ин­дукции под подмагничиваемым краем полюс­ного наконечника умень­шается на величину,определяемую высотой участка 1 на рисунке 17, в. Однако резуль­тирующий магнитный поток машины при этом уменьшается. Таким образом, реакция якоря в машине с насыщенной магнитной системой размагничивает машину (так же как и у синхронной ма­шины при активной нагрузке). В результате ухудшаются рабочие свойства машины: у генераторов снижается ЭДС, у двигателей уменьшается вращающий момент.

 

 

 

Рисунок 18 - Разложение МДС обмотки якоря на продольную и поперечную составляющие

 

Влияние реакции якоря на работу машины усиливается при смещении щеток с геометрической нейтрали. Объясняется это тем, что вместе со щетками смещается и вектор МДС якоря (рисунок 18, а). При этом МДС якоря F_a помимо поперечной составляющей Faq = Fa cos приобретает и продольную состав­ляющую Fad = F_a sin , направленную по оси полюсов. Если машина работает в генераторном режиме, то при сме­щении щеток в направлении вращения якоря продольная со­ставляющая МДС якоря действует встречно МДС обмотки воз­буждения Fво, что ослабляет основной магнитный поток машины; при смещении щеток против вращения якоря продольная состав­ляющая МДС якоря Fad действует согласованно с МДС F_b0, что вызывает некоторое подмагничивание машины и может явиться причиной искрения на коллекторе. Если машина работает в двигательном режиме, то при смещении щеток по направлению вращения якоря продольная составляющая МДС якоря F_ad подмагничивает машину, а при смещении щеток против вращения якоря продольная состав­ляющая Fad размагничивает машину. При дальнейшем рассмотрении вопросов, связанных с действием продольной составляю­щей МДС якоря, будем иметь в виду лишь ее размагничиваю­щее действие, так как подмагничивающее действие Fad в машинах постоянного тока общего назначения недопустимо из-за нару­шения работы щеточного контакта.

Следует обратить внимание на то, что смещение щеток с гео­метрической нейтрали влияет и на поперечную составляющую

МДС якоря - величину, зависящую от угла , c ростом которого она уменьшается (F_aq = F_acosfi). Таким образом, в коллекторных машинах возможны два случая:

1) щетки установлены на геомет­рической нейтрали и реакция якоря является только поперечной;

2) щетки смещены с геометрической нейтрали и реакция якоря имеет две составляющие — поперечную и продольную (размагни­чивающую). Принципиально также возможен случай, когда реак­ция якоря по поперечной оси отсутствует. Это имеет место, когда щетки расположены по оси, перпендикулярной геометрической нейтрали, т. е. когда = 90° (рисунок 18, б). Однако такой случай не имеет практического применения, так как машина становится неработоспособной: в генераторном режиме ЭДС машины равна нулю, так как в параллельную ветвь обмотки входит равное число секций со встречным направлением ЭДС, а в двигательном режиме электромагнитные силы активных сторон обмотки якоря, дейст­вующие слева и справа от оси щеток, равны и противоположно направлены, а поэтому вращающего момента не создают.

Устранение вредного влияния реакции якоря

В связи с тем, что реакция якоря неблагоприятно влияет на рабочие свойства машины постоянного тока, при проектирова­нии машины принимают меры к устранению реакции якоря или хотя бы к ослаблению ее влияния до допустимых пределов.

Компенсационная обмотка. Наиболее эффективным средством подавления влияния реакции якоря по поперечной оси является применение в машине компенсационной обмотки. Эту обмотку укладывают в пазы полюсных наконечников (рисунок 19) и вклю­чают последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы МДС компенсационной обмотки F_K была противоположна по на­правлению МДС обмотки якоря F_a. Компенсационную обмотку делают распределенной по поверхности полюсного наконечника всех главных полюсов машины. При этом линейную нагрузку для компенсационной обмотки принимают равной линейной нагрузке обмотки якоря.

Включение компенсационной обмотки последовательно в цепь якоря обеспечивает автоматичность компенсации МДС якоря при любой (в пределах номинальной) нагрузке машины. Таким образом, в машине постоянного тока с компенсационной обмот­кой при переходе от холостого хода к режиму нагрузки закон распределения магнитной индукции в зазоре главных полюсов остается практически неизменным. Однако в межполюсном про­странстве часть МДС якоря остается нескомпенсированной. Не­желательное влияние этой МДС на работу щеточного контакта устраняют применением в машине добавочных полюсов.

Компенсационные обмотки применяют лишь в машинах сред­ней и большой мощности - более 150—500 кВт при U > 440 В, работающих с резкими колебаниями нагрузки, например в дви­гателях для прокатных станов. Объясняется это тем, что компен­сационная обмотка удорожает и усложняет машину, и ее приме­нение в некоторых машинах экономически не оправдывается.

 

Рисунок 19 - Компенсационная обмотка

Увеличение воздушного зазора под главными полюсами. В машинах малой и средней мощности, не имеющих компенса­ционной обмотки, вредное влияние реакции якоря по поперечной оси ослабляют соответствующим выбором воздушного зазора под главными полюсами. При этом следует иметь в виду, что при достаточно малом воздушном зазоре и значительной линейной нагрузке реакция якоря по поперечной оси может не только осла­бить магнитное поле под одной из частей главного полюса, но и перемагнитить его, т. е. изменить полярность — «опрокинуть поле». Некоторое увеличение воздушного зазора под главными полюсами, особенно на их краях, значительно ослабляет действие реакции якоря. Однако не следует забывать, что увеличение воз­душного зазора ведет к необходимости повышения МДС обмотки главных полюсов, а следовательно, и к увеличению размеров полюсных катушек, полюсов и габарита машины в целом.

На этом же принципе уменьшения МДС поперечной реакции якоря за счет повышенного магнитного сопротивления на пути ее действия основан и другой способ ослабления действия реакции якоря. Этот способ состоит в том, что сердечники главных полю­сов делают из листовой анизотропной (холоднокатаной) стали (обычно применяют сталь марки 3411). Эта сталь в направлении проката обладает повышенной магнитной проницаемостью, а «поперёк проката» - небольшой магнитной проницаемостью. Штамповать пластины полюсов из такой стали следует так, что­бы ось полюса совпадала с направлением проката листа стали.

 

 

Тема: Коммутация в машинах постоянного тока