Конспект-МПС

 Міністерство освіти і науки України

Дніпродзержинський державний технічний університет

С.П.Сторожко

Конспект лекцій

з дисципліни „Електричні машини”
на тему: „Машини постійного струму”
для студентів спеціальностей 7.092201 – Електричні системи і комплекси транспортних засобів, 7.092203 – Електромеханічні системи автоматизації та електропривод, 7.000008 – Енергетичний менеджмент





Затверджено
редакційно-видавничою секцією
науково-методичної ради ДДТУ
___________,протокол №______





Дніпродзержинськ
2006
Розповсюдження і тиражування без офіційного дозволу Дніпродзержинсь-кого державного технічного університету заборонено.

Конспект лекцій з дисципліни „Електричні машини” на тему: „Машини постійного струму” для студентів спеціальностей 7.092201 – Електричні системи і комплекси транспортних засобів, 7.092203 – Електромеханічні системи автоматизації та електропривод, 7.000008 – Енергетичний менеджмент/ укл.: к.т.н., доцент Сторожко С.П. – Дніпродзержинськ: ДДТУ, 2006. - 74 с.







Укладач: С. П. Сторожко,
доцент, канд. техн. наук


Відповідальний за випуск: О. В. Садовой
проф., доктор техн. наук


Рецензент: С.В.Количев,
доцент, канд..техн.наук кафедри ЕО


Затверджено на засіданні кафедри ЕО
Протокол № від . . 2006 р.

ЗМІСТ
стор,
1 ВСТУП ... 5
1.1 Основні етапи розвитку машин постійного струму. . . .................. 5
1.2 Генераторобудування .... 5
1.3 Двигуни .... 6
2 КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ МПС .... 6
2.1 Основні деталі ...... 6
3 МАГНІТНЕ КОЛО................................................................................ 7
3.1 Потік полюсів ........................ 7
3.2 Закон повного струму .................................................................... 8
3.3 Ділянки магнітного кола .................................................................. 9
3.4 МРС зазору........................................................................................ 11
3.5 МРС зубцевої зони............................................................................ 13
3.6 МРС спинки якоря............................................................................ 16
3.7 МРС полюсів і ярма......................................................................... 16
3.8 Характеристика намагнічування МПС........................................... 17
4 ОБМОТКИ ЯКОРЯ МПС .............................................................. 18
4.1 Елементи та схеми обмоток .. 18
4.2 Проста петльова обмотка (ПП0) .. 22
4.3 Проста хвильова обмотка (ПХО) .. 24
4.4 Складні петльової обмотки (СПО) ... 27
4.5 Складна хвильова обмотка (СХО) ... 28
4.6 Умови симетрії обмоток ... 28
4.7 Урівнювачі ... 29
4.8 Вибір і порівняння обмоток ... 30
4.9 ЕРС обмотки якоря ... 30
4.10 Електромагнітний момент МПС ................................................ 32
5 МАГНІТНЕ ПОЛЕ МПС З НАВАНТАЖЕННЯМ.......................... 33
5.1 Магнітне поле МПС .. 33
5.2 Розрахунки МРС якор. 34
5.3 Врахування впливу поля якоря.. 36
6 КОМУТАЦІЯ МПС 38
6.1 Основні визначення та поняття . 38
6.2 Рівняння струму комутуючої секції 39
6.3 Лінійна комутація 40
6.4 Нелінійна комутація 41
7 ГЕНЕРАТОРИ . 46
7.1 Загальні положення ..................................................................... 46
7.2 Характеристики генераторів .... 48
7.3 Характеристики генератора незалежного збудження ............... .. 49
7.4 Характеристики генератора паралельного збудження ................ 53
7.5 Генератор послідовного збудження .. 57
7.6 Генератор змішаного збудження .. 57
8 ДВИГУНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ (ДПС) 59
8.1 Загальні положення 59
8.2 Енергетична діаграма 59
8.3 Рівняння моментів двигуна 60
8.4 Принцип дії і рівняння напруг двигуна 61
8.5 Пуск ДПС 62
8.6 Реостатний пуск 64
8.7 Робочі характеристики ДПС 65
8.8 Механічні характеристики ДПС ............... 67
8.9 Регулювання частоти обертання ДПС 69
8.10 Способи гальмування ДПС........................................................... 72
ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ 73

































1 ВСТУП
1.1 Основні етапи розвитку машин постійного струму (МПС)

Розвиток електричних машин у другій половині 19-го століття є по суті історія створення МПС. Але започатковане це було ще в двадцятих роках цього століття. 1820 рік - відкрито явище електромагнетизму Ерстедом. 1822 рік - М.Фарадей виявив і сформулював принцип перетворення електроенергії в механічну (принцип електромагнітного обертання). 1824 рік - Варлоу сконструював першу принципову модель двигуна. 1833 рік - Є.Ленц започаткував правило Ленца та принцип оберненості електричних машин.
В 1831р. Фарадей сформулював основний, наріжний закон електромагнітної індукції. Оберненість електромагнітного обертання та електромагнітної індукції найбільш плідно використовував Б.С. Якобі, який винайшов перший двигун постійного струму (ДПС).
Взагалі всі вище згадані закони і відкриття в електротехніці призвели до розвитку МПС по двом шляхам: генараторобудування та конструювання двигунів.

1.2 Генераторобудування

Відомо, що перші генератори - гальванічні елементи слугували хімічним дослідам (алхімія, тощо...), тому перші МПС почали свій розвиток як генератори постійного струму (ГПС). Вчені розглядають чотири етапи розвитку та конструювання генераторів.
Перший етап (1831 - 1851 р.р.): Розвиток магнітоелектричних машин з постійними магнітами. Перша модель (1831 р. - автор невідомий з ініціалами Р.М.) була дуже перспективна - окремі деталі цієї МПС використовують і досі. 1832), Пиксі - обертова машина з коромислом Ампера, як випрямляч. 1833р., Риччі - машина з оберненим колектором і збудженням постійним струмом. До 1840 року ці машини удосконалювались з метою покрашення конструкції колектора. 1855р., Холмс - машина для живлення маяків і будівель.
Другий етап (1851р. - 1867р.) перехід до машин з самозбудженням. 1861 ( 1867р.р., Уайлд - синхронні машини. 1856р., 2Т-подібний якорь, 1869р. - кільцеподібний якорь Пачінотти.
Третій етап (1867р. - 1871р.) - подальший розвиток теорії та практики самозбудження (Хіорт, 1855р. та інші. Сіменс практично реалізував принципи самозбудження. Максвелл - теоретичні дослідження магнітного поля.
Четвертий етап (1871р. - 1886р.) - 15 років, за які генератори досягли практичного завершення конструкції. Грамм впровадив якорь Пачінотті. 1872р. - барабанний якорь Гефнер-Альтенака; 1876р. - Яблочков - однофазний генератор. 1882р. - Вестон - двошарова обмотка якоря; 1880р. - Едісон - шихтований якорь.
1.3 Двигуни

Двигуни і генератори до 1860(1870р.р. розвивались незалежно один від одного. Конструювання двигунів проходило також у кілька етапів.
Перший етап (1822р.-1834р.) - моделювання принципу електромеханічного перетворювача енергії зворотньо-поступового руху /Д.Генрі.- Педж/1846р, 1851р. - локомотив потужністю 16 к.с, швидкість до 30 км/год.
Другий етап (1834р.-1870р.) Б.С.Якобі, винахід багатополюсного обертового двигуна з прототипом колектора, потужність 500 Вт, на катері довжиною 8,5 (16 пасажирів,1838р.) Девенпорт в 1834р. незалежно від Якобі сконструював обертовий двигун постійного струму.
Третій етап (1867р.-1887р.) принцип самозбудження в двигунах постійного струму. 1862) - принцип синхронного обертання, Н.Тесла та Ферраріс (1888р.) асинхронний двигун; 1893р. - двигун з подвійною кліткою.

2 КОНСТРУКТИВНІ особливості МПС

2.1 Основні деталі

Конструктивна принципова схема (рис.2.1) позначає основні деталі машини: 1 - статор; 2 - ротор; 3 - підшипники; 4 - вал; 5 - зазор; 6 - підшипникові щити; 7 - корпус.









1 – статор; 2 – ротор; 3 – підшипники; 4 – вал;
5 – зазор; 6 – щити; 7 – корпус

Рисунок 2.1 – Конструктивна схема машини

Статор і ротор включають в себе стальні осердя, виготовлені з листів електротехнічної сталі товщиною 0,35...0,5мм. В машині постійного струму (МПС) на статорі розміщують індуктор (полюси з обмотками), що забезпечує створення магнітного потоку в зазорі, на роторі - якорі, що слугує для створення ЕРС в його обмотці. Індуктор складається із головних полюсів, станини (корпус) та додаткових полюсів. Якір складений з осердя (на зовнішній поверхні якого виготовлені пази) та обмотки з мідного дроту. На одному валу з якорем розташовують одну з найважливіших деталей - колектор. Колектор машини являє собою порожнистий циліндр, що збирається з мідних пластин, ізольованих одна від одної (та від валу) міканітом, та стягнутих за допомогою конусних гайок.
Всі вищезазначені частини, які слугують для проведення струму, або ж магнітного потоку через зазор, звуться активними частинами машини.
Добавочні полюси необхідні в МПС для покращення комутації (іскріння під щітками на колекторі). Розташовують їх між головними полюсами по лінії геометричної нейтралі. Частіш за все ці полюси масивні, але для різкозмінного навантаження їх шихтують.
Колектор і якір напресовують на вал, який обертається в підшипниках (3). Підшипники закріплюються на бокових щитах 6, що, в свою чергу, фіксуються до корпусу 7.

Контрольні питання до тем 1,2

1. Які основні деталі МПС?
2. Що таке статор (ротор)?
3. Яку роль відіграє індуктор МПС?
4. Що таке якір?
5. Де розташовується якорна обмотка, для чого вона?
6. Що таке колектор? Його призначення.
7. Як фіксують щітки?

3 МАГНІТНЕ КОЛО

3.1 Потік полюсів

Магнітним колом (МК) МПС зветься сукупність пристроїв для створення і підтримування магнітного потоку Ф0 через феромагнітні та неферомагнітні ділянки (поділки) магнітної системи. Потік Фо створюється в зазорі (проміжку між статором і ротором) завдяки дії МРС індукторних обмоток на полюсах. Кількість полюсів 2р (р - кількість пар полюсів) завжди парне число. Північні N та південні S полюси МПС чергуються.
Магнітний потік полюса має дві складові:
потік в зазорі шириною ( - Ф0 – основний потік;
потік, що замикається між полюсами по повітряному проміжку, незаходячи в осердя якоря: Ф(
тому 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Тут коефіцієнт К( зветься коефіцієнтом розсіювання.
В загальному випадку К(=1,15...1,25.
Густина магнітного потоку в зазорі - індукція В( – визначає величину ЕРС машини - нерівномірна вподовж полюсної дуги ( (полюсна поділка) якоря
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
де Да - діаметр якоря по його поверхні.
Картина поля в зазорі (рис.3.1) дозволяє знайти розрахункове значення індукції В(


Рисунок 3.1 – Картина поля в зазорі

Складна картина поля вподовж полюсної поділки ( замінюється прямокутною (пунктир на рис.3.1) довжиною в(.

3.2 Закон повного струму









Рисунок 3.2 – До закону повного струму

За основу розрахунку МК прийнято закон повного струму, аналітичний вираз якого наступний
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
ліва частина є інтеграл від напруженості магнітного поля по деякому замкненому контуру 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (циркуляція вектора 13 EMBED Equation.DSMT4 1415); Іповн – алгебраїчна сума струмів, що входять в контур 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Якщо магнітне коло складається з декількох ділянок з постійним значенням напруженості вздовж них, то інтеграл замінюється сумою інтегралів, а саме
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Тоді остаточно маємо:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
тут W1, W2, W3 Wk – кількість витків з відповідними струмами І1; І2 і І3 ...І k в контурі. Тут і - номер ділянки кола, К - номер струму.
З ТОЕ відомо також, що: котушки з струмом І k, створюють:
1. 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - може бути знайдене з кривих намагнічування з метою вилучення проміжних величин (і та (0.
2. 13 EMBED Equation.DSMT4 1415- може бути заданою згідно з методикою вирішення прямих задач магнітних кіл.
На цій підставі може бути установлений наступний порядок розрахунків магнітного кола:
1. Розподіл кола МК на відрізки (ділянки) з постійною напруженістю Ні.
2. Вибір або розрахунок індукції Ві кожної ділянки.
3. Знаходження Ні. за значенням Ві на підставі кривих В=f(H) заданого матеріалу МК.
4. Визначення середньої довжини ділянки lі.
5.Визначення МРС ділянки Fi=Hili та МРС всієї довжини МК
Fk=F1+F2+ .
Для знаходження МРС в амперах слід приймати індукцію B в теслах (Тл) ; Н в [A/м]; l в метрах.
Загальна таблиця одиниць виміру магнітних і електричних величин в системі SI (СІ) наступна:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Для немагнітних матеріалів – діамагнітних і парамагнітних:
(0=((0; (0=4((10-7 Гн/м.
А, тому що для магнітних матеріалів, ( залежить від Н, то залежність В=(аН задається в довідниках.


3.3 Ділянки магнітного кола

В магнітному колі машини розрізнюють п'ять ділянок, на яких напруженість поля практично постійна:
повітряний проміжок-зазор;
зубцева зона якоря;
- спинка (тіло) якоря;
осердя полюса;
ярмо.
В найбільш загальному вигляді потік полюса відносно осі його розпадається на 2 частини, які створюють два однакових симетричних магнітних контури. Кількість цих контурів дорівнює 2р - кількості полюсів МПС, а р - кількість пар полюсів.
Повна МРС Fк на пару полюсів МПС визначається сумою МРС окремих ділянок.
Розрахунки МРС ділянок можуть виконуватись для одного магнітного контуру (рис.3.3), тобто розрахунок МК проводиться для середньої силової лінії магнітного потоку контуру.
13 EMBED Visio.Drawing.6 1415
Рисунок 3.3 – Розрахунки МРС ділянок для одного магнітного контуру

Так як потік проходить послідовно по всім п'ятьом ділянкам МК, то МРС (холостого ходу МПС) буде дорівнювати:
Fk=F(+Fз+Fа+Fп+Fя=2(ІзбWзб,
тут Ізб ; Wзб - струм та кількість витків обмотки збудження.
Найбільший магнітний опір зосереджений в повітряному проміжку ШС. Для проведення потоку через зазор тратиться 85% МРС всього кола. В табл. 3.1 зведені всі магнітні та геометричні величини ділянок МК.









Таблиця 3.1 – Магнітні та геометричні величини ділянок МК
Ділянки магнітного кола
Ф
В
S
H
l
F-МРС

Зазор
Ф0
В(
S (
Н (
2(
F (

Зубці
Ф0
В3
S 3
Н 3
2h3
F 3

Спинка
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Ва
S а
Н а

F а

Полюс
Фn=K(Ф0
Вn
S n
Н n
2hn
F n

Ярмо
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Вя
S я
Н Я

F я


Тапер згідно з законом повного струму:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
враховуючи вираз із ТОЕ: Ві=(і(0Ні, можна записати
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
але Ві=Фі/Si, тоді маємо
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 Висновок: вищезаписані рівняння показують, що для знаходження Fk треба знайти Ні і помножити на li та всі добутки просумувати; якщо відомо Ф0 і геометричні розміри, то легко знайти Ві ділянки. Конкретні вирази дивись нижче.

3.4 МРС зазору

Як уже зазначалося в 3.1. потік полюса в зазорі Ф0 розподіляється вздовж полюсної поділки ( нерівномірно (рис.3.1). Але є ще одна особливість конструкції МПС, яка впливає на величину МРС зазора F(. Як вздовж кола якоря, так і по довжині полюса (тобто в поперечному (рис.3.4) та в поздовжньому перерізах) індукція (густина) магнітного потоку розподіляється не рівномірно. Ця картина ускладнюється наявністю пазів (рис.3.4) та радіальних каналів (рис.3.5) вентиляції ротора.
Тому реальна картина поля замінюється зведеною за умови, що ця заміна задовольняв необхідну точність розрахунків. Така заміна передбачає прямокутне розподілення індукції на більший частині (. В цьому випадку розрахункова полюсна дуга дорівнює:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
де в(=в+2(.














Рисунок 3.4 – Розподіл індукції поля в зазорі

Звичайне значення (( = 0,6...0,7, в - реальна дуга полюса.
Вздовж осі полюса дійсна картина індукції замінюється також прямокутною з висотою в( . ln - довжина полюса. Якщо:
la - повна довжина якоря, а nk - кількість вентиляційних, вк - ширина каналу, тоді l(=la-nквк, а зведена довжина зазору: 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Якщо каналів немає, то l=lа= ln. На практиці вважають, що 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Після знаходження зведених геометричних розмірів зазору потік
Ф0=В((в(l(=B((((l(.
Звідки 13 EMBED Equation.DSMT4 1415











Рисунок 3.5 –


Практично: В(=0,3...1,0 Тл вибір залежить від частоти f перемагнічування якоря: f=n/60, де n – швидкість обертання якоря, об/хв.
Тому що якір МПС зубчастий, то довжина магнітних трубок різна: над зубцями вони коротші і їх більш, над пазами вони довші і їх меню. Цю кар-тину усереднюють, замінюючи реальний зазор ( розрахунковим зведеним ((
((=К((.
Тут К( - коефіцієнт зазору, підраховується він за допомогою формули Картера для МПС з прямокутними пазами:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
де 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 – зубцева поділка (13 EMBED Equation.DSMT4 1415=вз1+вn1) по поверхні якоря 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 –;
в31 – ширина зубця (по зовнішньому діаметру).
В заключення наведемо формулу для F(
13 EMBED Equation.DSMT4 1415

3.5 МРС зубцевої зони

Проминувши зазор магнітний потік Ф0 вступає в зубцеву зону, де він розгалуджується по двом напрямкам: по зубцях і по пазах.
Співвідношення між цими двома потоками залежить від магнітної проводимості цих напрямків
13 EMBED Equation.DSMT4 1415,
тут Sп і Sз – переріз паза і зубця, а hп і hз – висота зубця.
Розрахунок зубцевої зони проводять на одній зубцевій поділці
13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Потік однієї полюсної поділки в зазорі:
Фt=В((t1l(.
З іншого боку (рис.3.6) потік Фt (на відстані X від поверхні якоря) розподілений на 2 складові (зубцеву і пазову)
Фt=Фзx+Фnx.
Якщо поділити на площину поперечного перерізу зубця Sзх на відстані X від зазору, будемо мати:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Це три індукції:
а) 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 – розрахункова індукція, якби весь потік Фt проходив по зубцю, або 13 EMBED Equation.DSMT4 1415;
б) 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - реально існуюча індукція в зубці на відстані Х;
в) третя складова перетворюється таким чином:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Тут Sзх – поперечний переріз паза (м2): 13 EMBED Equation.DSMT4 1415;
Кпх – пазовий (іноді зубцевий) коефіцієнт, що залежить від геометрії паза і зубця, а саме
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
де tх – зубцева поділка по перетину Х (від поверхні якоря);
взх – ширина зубця у цьому перетині;
l( – розрахункова довжина якоря;
l – повна довжина пакета якоря;
Кс – коефіцієнт заповнення, що враховує товщину ізоляції листів якоря, Кс=0,88(0,93.
13 EMBED Visio.Drawing.6 1415
Рисунок 3.6 – Розподіл поля в зубцевій зоні

Визначання МРС зубцевої зони можна знайти, як інтегральне значення кривої Н(х) (рис.3.6), але ця крива для кожної машини має свій вигляд. Тому її інтегрування практично дуже ускладнюється. При конструюванні МК розрахунки ведуть наступним чином.
В довідниках дають сімейство характеристик:
В(зх=f(Нзх), яке будується за рівнянням
В(зх=Взх+(0НпxKпx=Взх+(0НзxKпx,
тут Нпx= Нзx, тому що і паз, і зубець знаходяться дід однією магнітною напругою
U(=Hl=Hпhп=Hзhз, а hп=hз то Hп=Hз.
Сімейство кривих будується для різних заданих значень Kпx (від Kпx=0,5 до Kпx =2,2).















Рисунок 3.7 – Сімейство кривих для зубцевої зони

Побудова В(зх=f(Нзх) здійснюється таким чином:
1. Будується крива В(Н) для заданої сталі.
Задаються рядом значень Взх і знаходять Нзх по кривій В(Н).
Задаються коефіцієнтом Кп (наприклад, Кп=0,5).
4. Знаходять: В(зх=Взх+(0Нзx (точка К1).
5. Будується В(зх=f(Нзх) вище від кривої В(Н).
Таку побудову вже здійснили для всіх можливих Кпх і навели в посібниках для проектування МПС з прямокутними пазами. Маючи сімейство характеристик, можна знайти значення Нзх за заданою величиною X, знаючи розрахункову В(зх та пазовий коефіцієнт Кпх для цього Х-го перерізу, потім побудувати Нз=f(х), проінтегрувати її і знайти необхідна значення Нз як інтеграл поділений на h3.
Практично величину інтегрального значення Нз знаходять за формулою чисельного інтегрування монотонних кривих (формула Сімпсона):
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Тобто беруть три переріза зубця 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Для Х=0, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Х=0,5(h3 (середина зубця):
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Для Х=h3 (дно паза):
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Знаючи Кп1; КПср; Кп2, та відповідні В(31; В(3ср; В(32 знаходимо необхідні Н31 ; Н3ср; Н32. Потім обчислюють інтегральне Н3 і знаходять МРС зубцевої зони:
F3=2H3h3.
Спрощені розрахунки МРС зубцевої зони виконують для 13 EMBED Equation.DSMT4 1415:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Орієнтовне значення індукції в зубці (максимум)
в32=1,8 ( 2,3 Тл.

МРС спинки якоря

Хоча відомо, що потік Фа в спинці якоря розподіляться нерівномірно (біля зубців індукція вища, ніж біля валу), але цим явищем нехтують і виходять із середньої величини індукції Ва:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
тут D1 - внутрішній діаметр осердя (або діаметр вала). З кривої намагнічування В(Н) для заданої сталі знаходимо напруженість На в залежності від Ва. Тоді:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
де 13 EMBED Equation.DSMT4 1415(див.рис.3.3)
Найбільш поширене значення Ва=1,0(1,5.

МРС полюсів і ярма

Порядок розрахунків МРС полюсів і ярма такий же, як і для якоря, тобто:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
де Sn – перетин полюса.
Орієнтовано:
K(=1,28 Dа<25 см;
K(=1,25 Dа>25 (до 75 см).
З кривої В(Н) знаходимо Нп, а далі:
Fп=Hп(2hn=2Нп( hn

потік в ярмі:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Індукція в ярмі:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
тут sя – переріз ярма, Ня – з кривих В(Н) для литої сталі ярма за відомою індукцією.
Довжина путі потоку в ярмі, якщо відома радіальна висота ярма hя, знаходиться за виразом
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Потім знаходимо Fя=Ня(lя.

3.8 Характеристика намагнічування МПС

Знаючи МРС окремих ділянок знаходять МРС кола, що дорівнює МРС збудження.
Fк= F(+ Fд+ Fа+ Fп+ Fя.
Достовірність розрахунків МК перевіряють за допомогою кривої намагнічування машини, або характеристики холостого ходу.
Крива намагнічування Ф0=f(Fк) будується після знаходження кількох (близько 6...10) значень Fк, які розраховуються для декількох значень індукції в зазорі В( (таких, щоб Ф0=0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2... від номінального потоку, який створює в машині номінальну ЕРС холостого ходу). Перевірка проводиться згідно з рис. 3.8 наступним чином:











Рисунок 3.8 – Характеристика намагнічування МПС

На прямолінійному відрізку кривої Ф0(Fк) вся МРС витрачається на проведення потоку, в основному, через зазор, тобто Fк=F(=f(Ф0). Зі збільшенням Ф0 значна частина МРС витрачається на проведення потоку і по сталі, в зв'язку з насиченням або ярма (малі МПС), або зубців (великі МПС) і підвищенням повного магнітного опору машини.
Відрізки 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 визначають МРС F( та Fкн відповідно для номінального значення потоку.
Відношення 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Якщо К( знаходиться в межах 1,11,4, то розрахунки виконані вірно. Найбільш ефективно машина буде працювати, якщо точка С знаходиться на середині криволінійної частини магнітної характеристики (так зване "коліно" характеристики).
Ступінь насичення дуже сильно впливає на робочі характеристики як генераторів, так і двигунів постійного струму (ГПС і ДПС); а також на умови комутації (іскріння під щітками).

Контрольні питання до теми 3

Які особливості магнітного кола МПС?
Скільки ділянок МК має МПС?
Який зазор МПС є розрахунковим?
Як враховується наявність радіальних вентиляційних каналів якоря?
Що таке полюсна поділка і розрахункова полюсна дуга?
Який тип задачі розрахунку магнітного кола?
Яка роль коефіцієнта зазору?
Основна особливість розрахунку МРС зубців?
Що таке пазовий коефіцієнт?
Як знаходиться інтегральне значення напруженості поля в зубцях?
Особливості розрахунку МРС спинки якоря.
Для чого потрібна крива В(Н) ?
особливості розрахунку МРС ярма та полюса?
Що таке коефіцієнт розсіювання?
Порядок побудови магнітної характеристики?
Що таке коефіцієнт насичення? Як він визначає достовірність розрахунків МРС ділянок кола?

4 ОБМОТКИ ЯКОРЯ МПС

Якірні обмотки МПС слугують для індуктування в них ЕРС та для створення МРС, в наслідок взаємодії якої з потоком Ф0 виникає електромагнітний момент, що діє як на статор так і на ротор.

4.1 Елементи та схеми обмоток

Основним елементом обмотки є секція - найменша частина обмотки підключена до колекторних пластин. Кожна секція - це, як правило, два послідовно-з(єднаних провідника, що складають один виток (рис.4.1,а). Кілька витків (два, або більше), з'єднані послідовно створюють секцію, підключену до колектора (рис,4.1,б,в). Секція може бути одновитковою, або багатовитковою. Кожна секція складається з двох активних сторін, які розташовані в пазах якоря. В них індукується ЕРС. Провідники, що з'єднують активні частини для створення ЕРС витка, звуться лобовими. Ці частини -неактивні.
Порядок з'єднання активних сторін та секцій між собою і з колектором встановлюється кроками обмотки. Існує взагалі два способи такого з'єднання:
кінці котушки підключають до сусідніх пластин колектора (рис.4.1,б). Така обмотка зветься петльова;
кінці котушки розведені на відстань, що приблизно дорівнює 2(. Така бмотка - хвильова.

а) б) в)

Рисунок 4.1 – Елементи обмотки якоря

Існує два способи зображення схем обмоток:
ПЕРШИЙ - торцевий показує вигляд обмотки з боку колектора, тобто, схема на площині, що перпендикулярна осі якоря, або ж радіальна схема.
ДРУГИЙ - більш поширений - являє собою схему-розгортку, згідно з якою циліндрична поверхня якоря з обмоткою розгортається на площині креслення.
Оскільки якірні обмотки МПС завжди двошарові, то верхні активні сторони (верхній шар) на схемах показують суцільними лініями, а нижні - пунктирними. Порядок з'єднання активних сторін не залежить від кількості витків, тому на схемах секції завжди одновиткові. Чим же визначається ширина секції, тобто, відстань однієї активної сторони від другої? З обертанням якоря в магнітному полі в кожній із сторін секції індукуються ЕРС, котрі повинні складатися алгебраїчно, створюючи ЕРС витка (або суми витків). Для цього сторони секцій повинні бути під різними (N або S) полюсами, тобто, на відстані що приблизно дорівнює ( - полюсній поділці на поверхні якоря (рис.4.2).

Рисунок 4.2 – Співвідношення між шириною секції і полюсною поділкою (

Для 1-1( у1=(=13 EMBED Equation.DSMT4 1415 – діаметральний крок.
Для 2-2( у1<( – скорочений крок.
Для 3-3( у1>( – подовжений крок.
Таким чином порядок з'єднання активних сторін секції визначається кроком у1. На схемах перший частковий крок у1 вимірюється в елементарних пазах, ширина реально виготовленої секції вимірюється в метричних одиницях згідно з формулою у1=13 EMBED Equation.DSMT4 1415[м].
Елементарним кроком обмотки звуться дві активні сторони різних секцій, розташовані в реальному пазу одна над другою, тобто в верхньому і нижньому шарах. В одному реальному пазу може бути 2...3 (не більше) елементарних паза. Таким чином, кількість всіх елементарних пазів: Zел=uZ , де u - кількість елементарних пазів в одному реальному (рис.4.3,а,б,в); Z - кількість реальних.
Деякі типи обмоток можуть мати різну ширину секцій. Така обмотка зветься ступінчаста, на відміну від рівносекційної (рис. 4.4), і має кращі умови комутації.










Рисунок 4.3 – До поняття елементарного паза



Рисунок 4.4 – Ступінчаста обмотка

Крім першого часткового кроку (ширини секції) існують також і інші відстані як на схемі обмотки, так і на реальному якорі та колекторі обмотки МПС. Взагалі кроки обмотки визначають взаємне розташування на якорі (в його пазах) сторін всіх секцій відносно одна одної, та відносно пластик колектора.
Розрізняють взагалі:
Крок по якорю - перший частковий крок – у1 – ширина секції.
Другий частковий крок – у2.
Результуючий крок – у.
Крок по колектору – ук.
На схемах-розгортках у1 визначається виразом:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415,
тут ( - деяка дріб, що округлює крок до цілого числа.
Другий частковий крок – у2, відстань між нижньою активною стороною секції, та верхньою активною стороною другої секції, з'єднаної з першою послідовно згідно з схемою обмотки. Вимірюється у2 також в елементарних пазах.
Результуючий крок - у визначає відстань між однойменними (частіш за все верхніми) активними сторонами двох різних секцій, з'єднаних послідовно відповідно до типу та схеми обмотки. Для всіх типів обмоток у=у1-у2 (у2 – може бути негативним). Тобто, у виконується на схемі як результат проходження обмоткою першого та другого часткових кроків.
Крок по колектору - ук відстань між двома колекторними пластинами, до яких підключені верхні активні сторони секцій, слідуючих одна за одною згідно з схемою ук=у.
Аксіоми обмоток МПС. До кожної колекторної пластини підключається кінець нижньої активної сторони однієї секції, та початок слідуючої верхньої активної сторони другої секції, то, взагалі маємо: К=S, де K - кількість пластин колектора; S – кількість секцій обмотки. Кількість проміжків між верхніми активними сторонами секцій вздовж кола якоря також дорівнює S.
В зв'язку з тим, що кожна верхня активна сторона секції розташовується в своєму окремому елементарному пазі, а кінець кожної секції підключений до своєї колекторної пластини, то в МПС завжди виконується рівняння:
S=Ze=K.
Види обмоток досить поширені для МПС, а саме:
проста петльова (паралельна);
складна петльова;
проста хвильова (послідовна);
складна хвильова;
"жаб'яча", комбінована.

Проста петльова обмотка (ППО)

ППО зветься така обмотка, у якої початок (верхня сторона) і кінець (нижня сторона) однієї секції підключають до двох сусідніх колекторних пластин. Принцип побудови ППО краще за все можна зрозуміти з таблиці-схеми обмотки. В ній вказують послідовно номери верхніх та нижніх сторін всіх секцій та послідовності виконання кроків обмотки і з'єднання їх з колекторними пластинами (рис.4.5)



Рисунок 4.5 – Схема таблиці з'єднання секцій

Таблиця складається наступним чином; лівому елементарному пазові надають номер у1, далі виконують перший крок ту із паза номер 1 (верхній шар) в паз номер 1+у1 (нижній шар). Другий крок у2 - із нижнього шару номер 1+у1 в верхній шар з номером 1+у1+у2=2. Разом з цим результуючий крок у=у1-у2=ук=1, тому що, кінці секції підключають до колектора на відстані однієї пластини один від одного. Якщо у1>у2 (частіше), то така ППО зветься правоходова, якщо у1< у2 – лівоходова, або перехресна.
Розрахунок кроків ведуть у наступному порядку:
1. Знаходять кількість елементарних пазів в одному реальному:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
2. Розраховують перший частковий крок у реальних пазах:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Це реальна ширина секції в реальних пазах якоря.
3. Перший частковий крок в елементарних пазах:
у1=УZ(u.
Другий частковий крок:
у=у1-у2=у1-1.
Потім складають таблицю-схему і будують схему обмотки.
Розглянемо виконання ППО на прикладі. Треба виконати обмотку з наступними даними:
Z=6; 2р=2; u=1.
Підрахуємо кроки обмотки:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - діаметральний крок
2. Складемо таблицю-схему:


Рисунок 4.6 – Таблиця з'єднання

3. Побудова схеми-розгортки:
креслять умовні елементарні пази - верхні активні сторони суцільні лінії, нижні активні сторони - пунктирні лінії;
довільно нумерують елементарні пази (починаючи з першого) по верхніх активних сторонах;
згідно з таблицею-схемою складаємо розгорнуту схему секцій, їх з'єднання з колекторними пластинами та між собою;
після побудови схеми на кожній полюсній поділці ( наносять контур полюса (заштриховано) шириною в(=(((=0,6...0,7(;
щітки А та В встановлюють на колекторні вздовж осі симетрії полюса (ширина щітки вщ=вк);
згідно з рис.4.7 будують схему паралельних гілок (рис.4.8).
Висновки з рис. 4.7.
1. Ті секції обмотки, верхні активні сторони яких розташовані під одним полюсом N (або S), створюють окрему паралельну гілку ППО, з'єднану через щітки А і В з зовнішньою мережею, наприклад 1,2,3 (або 4,5,6) рис.4.8. (Побажання: розгляньте схему рис. 4.8 для моменту, коли щітки А (та В) будуть перемикати пластини 1-2 (4-5).


















Рисунок 4.7 – Розгорнута схема обмотки ППО

2. Кількість паралельних гілок ППО завжди дорівнює 2а=2р, тут а – кількість пар гілок обмотки, струм якоря Іа=2(Іаа , тобто, обмотка паралельна.
3. Сумарна ЕРС: lAB=l1+l2+l3=l6+l5+l4, тобто, ЕРС машини з ППО дорівнює сумі ЕРС секцій тільки однієї паралельної гілки.
4. Для ППО з симетричними лобовими частинами з боку колектора щітки А і В розташовують вздовж геометричної (поздовжньої) осі полюсів. Кількість щіток для всіх МПС з ППО дорівнює 2а=2р.
Якщо лобові частини не симетричні, то щітки стоять між полюсами. Але в обох випадках щітки знаходяться на тих колекторних пластинах, до яких підключені ті секції, що в даний момент розташовуються в міжполюсному просторі (близько геометричної нейтралі). Геометрична нейтраль МПС - це лінія, перпендикулярна осі полюсів, тобто, є поперечна вісь машини. Напрямок ЕРС l1; l2; l3 і т.ін. визначається правилом "правої руки".
В загальному випадку;
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
тут N – загальна кількість активних провідників всіх секцій в пазах якоря.

Проста хвильова обмотка (ПХО)

ПXО - це така обмотка, у якої кінець однієї секції з'єднується з початком другої секції (та колекторною пластиною), що розташована під слідуючою парою полюсів. Це з'єднання виконують до повного замикання всіх секцій послідовно в одне коло і, таким чином, створюють хвильову модель обмотки.
Для двополюсних МПС (2р =2) петльова і хвильова обмотки ідентичні.









а) б)
Рисунок 4.8 – Кроки ПХО: а); та таблиця - схема,б)

Кроки обмотки: перший частковий крок у1 такий же як і в петльової обмотки. 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Другий же частковий крок у2 виконується в той же бік (згідно з ходом обмотки), що і перший. Таким чинок другий частковий крок виконується (побудова таблиці - схеми з'єднання) із нижнього шару елементарного паза 1 + у1 в верхній шар елементарного 1+у1+у2=1=у. Тобто результуючий крок дорівнює арифметичній сумі у1+у2.
Для ПХО у1+ук=13 EMBED Equation.DSMT4 1415 , що є близьким до 2(, тобто у((( (рис.4.9).







Рисунок 4.9 – Проста хвильова обмотка

Перший частковий крок визначається за тією ж формулою
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
а у2=у-у1.
Приклад: Дано: Zе=15; 2р=4; К= Zе.
1. Перший крок:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
2. Крок результуючий:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
3. Другий крок:
у2=у-у1=7-3=4 (у1(у2).
Будуємо елементарні пази та колекторні поділки
Приймаємо будь який паз за перший і закладаємо в нього верхню активну сторону котушки (секції) номер 1, нижню активну сторону першої секції вкладаємо в нижній шар паза 4, відступивши від першого на відстань у1=3 (1+3=4). Кінець К1 з'єднуємо з початком восьмої секції Н8 на відстані у2=4 (4+4=8) .
Продовжуємо в тому ж напрямку з'єднання схеми ПХВ, доки кінець К9 дев'ятої секції не завершить обхід обмотки, замкнувшись з початком секції номер 1. Потім з'єднуємо початки (з відповідними кінцями) від секцій з колекторними пластинами (наприклад; секція 1 підключена до пластин 1 та 8, тобто, відстань між ними є ук =у=7).
Розстановка полюсів і щіток виконується довільно, але за правилом: щітка завжди стоїть (на схемі) вздовж осі полюса, якщо - симетричні лобові частини з боку колектора (рис.4.9).
Розглядаючи схему рис.4.10 можна відмітити важливу особливість ПХО, а саме, всі секції обмотки, верхні активні сторони якої розташовані під однойменними полюсами (скажімо N-N) з'єднані послідовно. їх EРС сумуються. Наприклад, 1; 8; 15,7; 14; 6; 13; 5,12 - перша паралельна гілка, та секції: 4; 11; 3; 10; 2; 9.

Рисунок 4.10 – Паралельні гілки

Якщо однополярні щітки з'єднані паралельно А1 та А2; В1 та В2, що завжди роблять для симетрії паралельних гілок, то секції 1; 8 та 5; 12 першої гілки замкнуті "на коротко" і в створенні ЕРС гілки участь не беруть (рис.4.11).
Таким чином для простих хвильових обмоток кількість паралельних гілок дорівнює: 2а=2 і не залежить від 2р.
Серед ПХО часто зустрічаються обмотки з "мертвою" секцією тоді, коли 2р, S=Ze парні числа. В цьому випадку на якорі укладають всі Ze секції, але одну з них до колектора не підключають, тоді
К= Ze-1.
Кроки у1 та ук витримують розрахунковими, а другий крок у2 збільшують на 1 при переході через "мертву" секцію.
ПХО для МПС з 2р=2 не використовують, тому що секції ППО більш простіші: а також завжди виконуються. А ПХО дуже часто можуть бути несиметричні залежно від величин Р; К; Z.

4.4 Складні петльові обмотки (СПО)

Складні петльові обмотки являють собою кілька ППО, укладених в пазах якоря, котрі з'єднуються між собою паралельно за допомогою щіток, тобто вщ=m(вк, а 2а=2(m, тут m – - кратність (кількість) простих обмоток.
Особливості СПО: – результуючий крок у=ук= m=Ц(Ч;
перший крок 13 EMBED Equation.DSMT4 1415;
другий крок у2=у1-у= у1(m.
Звичайне значення m=2, тому що, для m(2 СПО, як правило, несиметрична. Разом з цим, якщо К=Ze непарне число СПО є од-нократнозамкнена, а коли К парне - двократнозамкнена. Взагалі, коли m та Ze взаємнопрості числа, то СПО завжди виходить однократнозамкнена.
Приклади: Zе=8; 2р=2; m=2; маємо:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
У=Ук= m=2; У2=У1- m=4-2=2.
Таблиця-схема:
13 EMBED Visio.Drawing.6 1415
а) б)
Рисунок 4.12 – Принцип побудови СПО (двократнозамкнута)

Тобто маємо дві окремі ППО.
Якщо: Zе=11; 2р=4; m=2; маємо:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
у=ук= m=2; у2=у1- m=5-2=3.

Таблиця-схема:

13 EMBED Visio.Drawing.6 1415
Рисунок 4.13 – Однократнозамкнена СПО

4.5 Складна хвильова обмотка (СХО)

Подібно до складної петльової в пазах якоря МПС можна укласти m простих хвильових обмоток, які також з'єднуються між собою паралельно за допомогою щіток. Ці ПХО створюють одну СХО, яка має 2а=2m гілок.
Особливість обмотки - після повного обходу вздовж кола якоря секції приходять не в сусідній паз, а в відлеглий від нього на m елементарних пазів. Тепер результуючий крок:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Інші кроки визначаються аналогічно. СХО можуть бути (на відміну від ППО) одно-, дво- та багатократні.
Приклад: Zе=10; 2р=2; m=2; ; маємо:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
у2= у -у1=8-5=3.
Таблиця-схема:
13 EMBED Visio.Drawing.6 1415
Рисунок 4.14 – Створення СХО (двократнозамкнена)


Величину напруги між щітками визначають: 13 EMBED Equation.DSMT4 1415–провідників обмотки.
Ширина щітки: вщ= mвк.
Якщо Ze та m взаємно прості числа, то СХО буде однократнозамкнена.

4.6 Умови симетрії обмоток

Обмотка симетрична, якщо в любому положенні якоря в магнітному полі в кожній паралельній гілці обмотки індукуються однакові ЕРС. Така обмотка працює баз негативних явиш і струми паралельних гілок однакові. 3 метою забезпечення однаковості ЕРС обмотка повинна задовольняти трьом умовам:
1. Кожна пара паралельних гілок має однакову кількість секцій:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Це обумовлює за кожною гілкою однакову кількість пазів.
2. Кожна пара гілок знаходиться в однаковій кількості реальних пазів: 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
3. Кожна пара гілок повинна симетрично розташована відносно полісів МПС: 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Третя умова гарантує для кожної гілки рівноцінне положення в магнітному полі, що не завжди виконується для однократнозамкнених СПО та СВО. Ці умови абсолютно обов'язкові для МПС великої потужності.

4.7 Урівнювачі

Навіть в симетричних обмотках можуть наводитись різні ЕРС, що спричиняє урівнюючі струми в гілках. Це явища визиває додаткові втрати та іскріння під щітками (на холостому ході МПС). Причина цього - магнітна несиметрія, що спричиняється:
різними зазорами під полюсами;
ексцентрисітетом якоря відносно осі обертання;
неоднорідністю матеріалу полюсів та ярма (раковини і т.ін.).
Щоб усунути ці струми через щітки в схемі обмотки підключають урівнювачі - спеціальні провідники, що з'єднують точки обмотки з теоретично рівними потенціалами. Такі урівнювачі звуться першого роду.
Крок урівнювачів першого роду: 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, тому що, кількість точок рівного потенціалу в ППО дорівнює а=р. Іноді цей крок зветься потенціальним.
Урівнюючий струм (змінного напрямку) створює магнітні поля, що усувають магнітну несиметрію потоків полюсів.
Кількість урівнювачів 1-го роду
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Для ПХО магнітна несиметрія не суттєва, тому для неї ці урівнювачі не використовують.
В складних петльових та хвильових обмотках окремі прості обмотки з'єднані паралельно через щітки. Але в загальному випадку перехідні опори контакту щіток весь час змінюються, а разом з цим міняється і розподіл струмів між гілками. Завдяки цьому рівномірність падінь напруги між пластинами колектора порушується. Подібне явище в СХО усувають з'єднанням точок рівного потенціалу різних ПХО.
Кроки і кількість цих урівнювачів (другого роду) визначаються тими ж формулами.

4.8 Вибір і порівняння обмоток

Основою вибору типу обмотки є бажання мати необхідну ЕРС найменшою кількістю провідників N на поверхні якоря і найбільшим перерізом одного провідника (з метою кращого використання площі паза).
Цим умовам відповідає проста хвильова обмотка, з якої слід починати вибір обмотки. Але якщо струм паралельної гілки перевищує рекомендоване значення в 350 А, то треба переходити по черзі до ППО, потім СХО і лиш в кінці до СПО. Порівняння обмоток полегшує цей вибір (табл.4.1).

Таблиця 4.1
ППО
П X О

Має великі струми: 2а=2р.
Підвищена чутливість до ма- гнітної несиметрії.
Мала напруга між сусідніми 6секціями та пластинами колектора ук=у=1.
Використовують для машин середньої та великої потужності (100 кВт і більше). СПО для тих же потужностей низької напруги.
Має велику ЕРС (послідовна обмотка, 2а=2).
Незначна чутливість до магнітної несиметрії.
Якщо Ze/Z>1, то секції в одному пазу потребують підсилення ізоляції.
4. В машинах малої потужності до 100 кВт нормальної напруги і середньої потужності (<100 кВт) підвищеної напруги.
СХО - в машинах середньої потужності і високої напруги.



ЕРС обмотки якоря

Питання ЕРС обмотки найбільш важливе для МПС.
Переміщення провідника в магнітному полі з індукцією В( індукує в ньому ЕРС:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415еі=В(і(lі(Va 13 EMBED Equation.DSMT4 1415lі – довжина і-го провідника, В(і( – індукція потоку, що перетинає провідник, Va– лінійна швидкість переміщання. В МПС маємо N провідників, розподілених між паралельними гілками (рис.4.15,а,б). Розглянемо це питання на прикладі кільцевого якоря. Згідно з правилом правої руки, напрямок ЕРС провідників на поверхні якоря під полюсом N –до нас, а - під S протилежний. Всі N провідників розподілені між двома (2р=2) гілками порівну. ЕРС між щітками буде дорівнювати сумі ЕРС провідників або верхньої гілки, або нижньої
Е=l2+l3+l4+l5+l6= l12+l11+l10+l9+l8, інакше 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, якщо ЕРС l1 буде однакова вздовж поділки (, тому що всі провідники 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 розташовані вздовж неї. Тоді на одиницю довжини кола якоря маємо 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 провідників, де 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Рисунок 4.15 – Кільцевий якір (а), принципова схема (б)

Вважаючи, кількість провідників досить значною, а їх розташування рівномірним і безперервним, можна рахувати що на елементі dх дуги якоря знаходиться 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 провідників/
Тоді повна ЕРС якоря (його однієї гілки) дорівнює:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
З фізики відомо: 13 EMBED Equation.DSMT4 1415; тут n – швидкість обертання, об/хв.
Тепер маємо; за умови, що 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Після перетворень формула ЕРС приймав вигляд
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
тут 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 частота зміни ЕРС в провіднику.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Якщо замінити всі константи відповідним коефіцієнтом:
та Е=СеФ0(n; де 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
А в системі 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, то тепер
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
тут 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
І остаточно Е=КФ0( (В) пропорційна потоку полюса та частоті обертання якоря.

4.10 Електромагнітний момент МПС

З фізики відомо, якщо провідник з струмом знаходиться в магнітному полі, то на нього діє зусилля (сила) електромагнітного походження. Згідно з законом Ампера Fпр =B(l(Iaa – сила, що діє на один провідник. Момент сили: 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 або ж 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Сумарний момент, що діє на якір створюється тільки (((N) провідниками (з умови зведення поля див. 3.1).







Таким чином:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Після підстановки маємо:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
або М=К(Ф0(І – пропорційний потоку полюса і струму якоря.

Контрольні питання до теми 4
1. Призначення обмоток якоря МПС.
2. Які елементи обмотки якоря? Їх назва.
3. Можливі схеми обмотки.
4. Що таке елементарний пар?
5. Кроки обмотки, їх визначення.
6. Проста петльова обмотка (назва). Розрахунки кроків.
7. Побудова схеми-розгортки. Правило установки щіток.
8. Правило складання схеми паралельних галок.
9. Проста хвильова обмотка (назва). Розрахунки кроків.
10. Правило складання паралельних гілок.
11. Складні петльові обмотки (принцип побудови).
12. Складні хвильові обмотки (принцип побудови).
13. Умови симетрії обмоток.
14. Зрівнювачі, їх призначення, кроки.
15. Вибір і порівняння обмоток.
16. Як виводиться формула ЕРС обмотки якоря?
17. Електромагнітний момент – вивод формули.

5 МАГНІТНЕ ПОЛЕ МПС З НАВАНТАЖЕННЯМ

5.1 Магнітне поле МПС

В режимі холостого ходу (XX) в МПС існує тільки потік в зазорі Ф0 завдяки дії МРС головних полюсів (рис. 5.1,а).
В завантаженій машині завжди тече струм обмотки якоря Іа і створює свою власну МРС Fа якоря. Взаємодія двох МРС Fk та Fа приводить до зниження магнітного поля або навіть до зниження потоку фр (у насиченій магнітній системі МПС). Дійсно ліва частина полюса N більш розмагнічена (рис.5.1,в) ніж права завдяки зустрічній дії МРС Fа. В правій же частині МРС Fk та Fа діють узгоджено і результуючий потік Фр має більше значення



а) за умови Іа= 0; б) поле якірної обмотки Іа>0;
в) результуюче поле в зазорі
Рисунок 5.1 – Магнітна поле МПС

індукції. В зазорі картина поля (рис.5.1,в) зміщується на деякий кут від повздовжньої осі полюсів (d-d).
Якщо МПС на насичена, то зменшення потоку під одним краєм компенсується його підвищенням під другим краєм, тобто
Ф0(Фр.
Але якщо полюси насичені (в режимі XX) то такої компенсації не буде і маємо Фр(Ф0. Поява спотворення (викривлення) потоку фр приводить до зменшення напруги між щітками, а також іскріння на колекторі.
Вплив МРС якоря на МРС головних полюсів (головну МРС) зветься реакцією якоря.
МРС якоря завжди діє по лінії щіток (рис,5.1,б) і, якщо щітки зсунути з нейтралі q-q в ту чи іншу сторону то її вплив на основу МРС Fk буде різний (рис.5.2, а,б).
З розкладом Fа. на складові, співпадаючі з осями d і q машини Fad та Faq, видно, що: а) Faq , - поперечна складова спотворює поле Фр (рис.5.2,а); б) Fad – поздовжня складова діє проти МРС Fк, тобто, є розмагнічуюча (рис.5.2,а), або ж співпадає з Fк , тобто буде підмагнічувати машину (рис.5.2).

5.2 Розрахунки МРС якоря

З метою кількісного аналізу поля якоря треба знати МРС якоря Fa. Припущення до розрахунків: а) зубчастий (з пазами) якір замінюють рівним з провідниками N по колу якоря з зазором ((; б) щітки на нейтралі q-q; в) крок обмотки у1=(.


а) в напрямку обертання; б) проти обертання

Рисунок 5.2 – Реакція якоря а урахуванням зсуву щіток

Тепер уявимо МПС на площі в розгорнутому вигляді: (рис.5.3). Якщо розглянути лінію поля на відстані від осі полюса, то згідно з законом повного струму МРС Faх вздовж контуру дорівнює повному струму в межах контуру.
Тобто Faх =А(2х,
тут А - величина (розрахункова), що зветься лінійне навантаження якоря, яка визначається наступним чином; якщо кількість провідників якоря N, а струм провідника Іаа на одиницю поверхні кола якоря приходиться
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 [А/м].


X

Рисунок 5.3 – Криві МРС та індукції обмотки якоря

На відстані від осі d-d МПС X=(/2 буде найбільший контур в якому MРС дорівнює
13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Знайдемо тепер індукцію Вах в довільній точці зазору, створену МРС Faх:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Звідки видно, що форма кривої Ва(х) повторює криву МРС Faх в зазорі (рис.5.3). Зниження індукції в міжполюсному просторі пояснюється різким збільшенням магнітного опору R(.
Якщо графічно скласти криві розподілу індукції В(, створеної МРС полюсів Fк, та індукції Ва створеної МРС якоря, то матимемо результуючу криву індукції Вр МПС з навантаженням» яка буде досить спотворена в залежності від величини струму, тобто, МРС якоря (рис.5.4).

















Рисунок 5.4 – Вплив МРС якоря на результуюче поле МДС

Спотворення кривої Вр призводить до нерівномірного розподілу напруги між колекторними пластинами (підвищення між одними та зниження між другими). Це спричиняє появу "кругового вогню" на колекторі. Точки „а” і „в” (рис.5.4) визначають так звану фізичну нейтраль, яка є лінія, де поле МПС дорівнює нулю. З навантаженням фізична нейтраль „а”, „в” зміщується на деякий кут в напрямку обертання якоря генератора (у двигуна навпаки – проти).

Врахування впливу поля якоря

Розглянемо дію реакції якоря, якщо щітки зсунуті з геометричної нейтралі на деякий кут ( < 90 ел.град. (рис.5.5).
З рис.5.5 видно, що провідники в межах подвійного кута 2( створюють поздовжню складову МРС реакції якоря Fad=A(2вз, та поперечну в межах (180° – 2() Faq=A(((2вз), тут в3 – дуга на поверхні якоря, що відповідає куту (.









Рисунок 5.5 До розрахунку МРС Fad і Faq

Повздовжня МРС Fad розмагнічує МПС (генератор), а поперечна МРС спотворює криву поля з зазорі (рис.5.4) [1]. В загальному випадку (для насиченої магнітної системи) підмагнічуюча дія МРС Faq менша ніж розмагнічуюча дія під другим краєм полюса. Щоб скомпенсувати розмагнічуючу дію Fad, а також врахувати вплив Faq на результуюче поле слід до МРС збудження Fк в режимі XX добавити Fad та ту частину МРС Faq, що знижує потік в зазорі машини, тобто,
FM= Fk+ Fad+ Kq(Faq
Вплив МРС Fad враховують за допомогою перехідної характеристики B(=f(F(+Fз) (рис,

Приложенные файлы

  • doc 8981985
    Размер файла: 4 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий