ОБМОТКИ ЯКОРЕЙ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Обмотки якорей машин постоянного тока изготовляют из изо­лированных медных проводов, а в машинах больших мощностей — из шин прямоугольного поперечного сечения; обмотки выполняются замкнутыми. При изготовлении обмотки из шин прямоугольного поперечного сечения их делают стержневыми и каждая секция может состоять из двух активных проводов (одновитковая секция).

Из изолированного медного провода секции обмоток изготовляют в виде катушек с определенным числом витков (многовитковые секции).

В машинах постоянного тока исключительное применение находят шаблонные двухслойные обмотки, у которых в пазах якоря активные части секций размещаются в два слоя.

Каждая секция обмотки состоит из двух активных сторон, от­стоящих друг от друга на расстоянии, близком к полюсному деле­нию т, т. е. расстоянию между средними точками соседних разно­именных полюсов. При таком расстоянии между активными про­водниками (шаге обмотки) э. д. с, индуктированные в этих про­водниках, будут направлены в одну сторону, и э. д. с. секции будет иметь наибольшее значение, так как э. д. с. ее активных сторон складываются (рис. 136). Одна активная часть секции находится в верхнем слое паза, другая —в нижнем. При изображении раз­вернутых схем обмоток активные стороны, лежащие в верхнем слое паза, изображаются сплошной линией, а стороны нижнего слоя — прерывистой. Концы секции соединяются как с другими секциями обмотки, так и с коллекторными пластинами.

Секции, образующие обмотки, соединяются между собой так, чтобы индуктированные в них э. д. с. были направлены согласно, т. е. в одну сторону. Для этого начальные (конечные) проводники последовательно соединенных секций должны находиться в любой момент под полюсами одинаковой полярности.

В зависимости от порядка соединения секций друг с другом обмотки могут быть параллельными (петлевыми) и последователь­ными (волновыми).

На рис. 137 показана (толстой линией) одновитковая и много-витковая секция параллельной обмотки, состоящая из активной части верхнего слоя паза 1 и нижнего слоя паза 1+у₁. В этих обмотках последовательно соединяются между собой секции на­чальные (конечные), активные стороны которых находятся под одним полюсом в расположенных рядом пазах. Таким образом, концы секций параллельной обмотки присоединяются к двум соседним коллекторным-пластинам (1 и 2), причем в многовитковых секциях к пластине 1 подключается начало первого витка, а к пластине 2 — конец последнего витка, соединяемый с началом следующей сек­ции. Любая коллекторная пластина (например, 1) соединяется

с двумя активными проводами, в каждом из которых протекает ток одной параллельной ветви обмотки i_я, так что между двумя щетками различной полярности обмотка образует две параллель­ные ветви.

При параллельных обмотках число щеток должно быть всегда равно числу полюсов 2р и, следовательно, число параллельных ветвей 2а в этих обмотках равно числу полюсов, т.е. 2а = 2р

(а = р).

При большом числе полюсов параллельная обмотка образует много параллельных ветвей, что дает возможность понизить ток в одной ветви и уменьшает поперечное сечение провода обмотки.

В последовательных обмотках начальные (конечные) активные провода секций находятся под различными полюсами одинаковой полярности (рис. 138).

При обходе схемы обмотки с верхнего проводника n мы получим первую секцию, активные стороны которой находятся под по­люсами N1 и S1 (секция на схеме изображена толстой линией). Активные стороны второй секции, последовательно соединенной с первой, находятся под полюсами, N2 — S2, третьей секции —под полюсами N3 и S3 и т. д. После полного обхода окружности якоря Придем в верхний проводник пары n — 1, лежащей рядом (лучше слева) с проводником пары n, от которого начали обход обмотки. Последовательно с верхним проводником пары n— 1 включаем проводники, лежащие под полюсами S1, N2, S2 и т. д., пока вновь <не обойдем окружность якоря и не придем к проводнику, лежащему рядом с проводником n—1. После этого совершается новый обход проводников по схеме обмотки и т. д., пока все проводники не окажутся включенными в замкнутую цепь.

Вне зависимости от числа полюсов простая последовательная обмотка образует две параллельные ветви, т.е. 2а = 2. Поэтому при любом числе полюсов машина может иметь только две щетки, если обмотка якоря последовательная, причем эти щетки должны по­мещаться на расстоянии части окружности коллектора. Например, при р = 2 расстояние между щетками должно быть равно четверти окружности коллектора. Это дает возможность делать доступной для осмотра не всю окружность коллектора, а только; ее часть.

Наличие только двух параллельных ветвей свидетельствует} о том, что в каждой ветви последовательно соединяется большое число активных проводов и э. д. с. машины может иметь большое значение. Поэтому последовательные обмотки находят применение для машин высокого напряжения.

§ 107. Э. Д. С. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Как известно, в проводнике, перемещающемся в магнитном поле в направлении, перпендикулярном направлению магнитных линий этого поля, создается э. д. с, равная

где В — среднее значение магнитной индукции, тл,

l — длина проводника, м,

v — скорость перемещения проводника, м/сек.

На якоре машины укладывается большое число активных про­водников, которое обозначим буквой N. В каждой параллельной ветви обмотки будет последовательно включено активных про водника. Таким образом, э. д. с. машины

Скорость перемещения проводников в магнитном поле

где 2 р— число полюсов машины,

τ—полюсное деление, т. е. расстояние между центрами раз­ноименных полюсов,

n— число оборотов якоря машины в минуту.

Имея в виду, что произведение среднего значения магнитной индукции В на осевую длину полюса t и на полюсное деление τ представляет собой магнитный поток одного полюса получим для э. д. с. машины следующее выражение:

Для каждой машины величины р, N и а постоянны, так что отношение представляет собой величину, постоянную для данной машины. Следовательно, э. д. с. машины постоянного тока определяется следующим выражением:

т. е. э. д. с. машины постоянного тока равна произведению посто­янной конструктивной величины С на число оборотов якоря в ми­нуту n и магнитный поток полюсов Ф. Это выражение показывает, что для изменения э. д. с. (или напряжения) машины необходимо изменить либо число оборотов якоря, либо магнитный поток по­люсов. Так как изменение скорости вращения двигателя, приво­дящего в движение генератор, связано со значительными сложно­стями, то на практике регулировку э. д. с. и напряжения произво­дят изменением магнитного потока, который зависит от тока в обмотке возбуждения. В цепь обмотки возбуждения включают реостат, с изменением сопротивления которого изменяется и ток возбуждения.

§ 108. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРИ НАГРУЗКЕ

При холостом ходе машины тока в якоре нет и магнитное поле создается намагничивающей силой полюсов. Это магнитное поле симметрично относительно оси полюсов и распределяется равно­мерно в воздушном зазоре (рис. 139, а). Положим, что щетки

установлены на геометрической нейтрали, т. е. на линии, проходящей через центр якоря и перпендикулярной оси полюсов.

При нагрузке машины в обмотке якоря протекает ток, который создает свое магнитное иоле. Поле якоря, воздействуя на магнитное поле полюсов, изменяет и искажает его.

При нагрузке машины по магнитной цепи замкнется результирующий магнитный потом Ф_р, создаваемый совместным действием намагничивающих сил по­люсов и якоря.

Результирующий магнитный поток Ф_р не равен потоку полюсов Фт, созданному намагничивающими силами обмотки возбуждения при холостом ходе. Воздействие поля, созданного током в якоре при нагрузке машины, на магнитное поле полюсов называется реакцией якоря.

Если по проводникам обмотки якоря невозбужденной машины пропустить от постороннего источника такой ток, который имел бы место при нагрузке машины, то будет создано магнитное поле, якоря (рис. 139, б). Это поле якоря замкнется поперек оси полюсов и называется поперечным полем реакции якоря.

Намагничивающая сила якоря под одним краем полюса (под набегающим для генератора и под сбегающим для двигателя) на­правлена встречно намагничивающей силе полюсов, а под другим краем полюса (под сбегающим для генератора и под набегающим для двигателя) согласно намагничивающей силе полюсов. Следо­вательно, под одним краем полюса происходит уменьшение, а под другим—-увеличение магнитной индукции.

Таким образом, при нагрузке машины результирующее маг­нитное поле будет несимметрично относительно оси полюсов (рис. 139, в), т. е. поперечное поле реакции якоря перераспреде­ляет магнитное поле полюсов, ослабляя его под одним краем и уси­ливая под другим. Поле реакции якоря также смещает физическую нейтраль, т. е. линию, проходящую через центр якоря и перпен­дикулярную оси результирующего магнитного поля.

Если магнитная система машины не насыщена, то увеличений магнитного потока под одним краем полюса будет равно умень­шению магнитного потока под другим краем полюса и результи­рующий магнитный поток останется неизменным при изменении нагрузки.

Так как машины работают при сравнительно сильных магнит­ных полях, то за счет насыщения стали увеличение магнитного потока под одним краем полюса будет меньше, чем уменьшение магнитного потока под другим краем полюса. Поэтому резуль­тирующий магнитный поток при нагрузке окажется меньше магнитного потока полюсов, т. е. магнитного потока при холостом ходе.

Изменение магнитного потока машины приводит в генераторах к изменению как э. д. с, так и напряжения на зажимах машины. Кроме того, под действием реакции якоря увеличивается напря­жение между смежными коллекторными пластинами, что ухуд­шает коммутацию тока.

Если, например, в генераторе при неизменном токе возбужде­ния увеличится нагрузка (увеличится док в якоре), то за счет раз­магничивающего действия поля реакции якоря магнитный поток машины уменьшится, что повлечет за собой уменьшение как э. д. с, так и напряжения на зажимах генератора.

Поэтому в тех случаях, когда требуется постоянство э. д. с. или напряжения на зажимах генератора, при увеличении нагрузки машины увеличивают и ток возбуждения с тем, чтобы увеличение магнитного потока полюсов компенсировало размагничивающее действие реакции якоря. Кроме того, при нагрузке напряжение уменьшается вследствие падения напряжения в якоре.

КОММУТАЦИЯ ТОКА

Коммутацией тока называется процесс снятия тока с коллек­тора, связанный с переключением секций из одной параллельной ветви в другую. Ток в коммутируемой секции изменяет направле­ние.

При вращении якоря машины коллекторные пластины пооче­редно приходят в соприкосновение со щетками, так что в определенные промежутки времени секция или несколько секций замы­каются щеткой. Поскольку переходное сопротивление между щет­кой и коллекторной пластиной сравнительно мало, то замыкание секций щеткой близко к их короткому замыканию.

На рис. 140, а показана секция простой параллельной обмотки. В этой секции протекает ток одной параллельной ветви:

где Iя — ток нагрузки,

2а — число параллельных ветвей обмотки.

При вращении якоря его обмотка и коллектор перемещаются относительно неподвижной щетки справа налево. В некоторый момент, соответствующий началу коммутации, щетка соприкасается с коллекторной пластиной 1, соединенной с двумя проводами обмотки, в каждом из которых протекает ток одной параллельно ветви iя.

Таким образом, через коллекторную пластину и щетку протекает ток, равный сумме токов двух параллельных ветвей 2iя. В выделенной нами секции ток равен току одной параллельной ветви и в данный момент направлен против часовой стрелки.

В дальнейшем при вращении якоря щетка будет соприкасаться с коллекторными пластинами 1 и 2, замыкая выделенную нам секцию (рис. 140, б). В определенный момент щетка полностью перейдет на коллекторную пластину 2, и ток в выделенной нам секции изменит направление на обратное (рис. 140, в), т. е. секции переключается из одной параллельной ветви в другую. Время переключения секции, называемое периодом коммутации, мало и а это время в секции происходит изменение тока от +iя до —iя.

При изменении тока в секции создается э. д. с. самоиндукции которая может достигать сравнительно больших значений.

Кроме того, поскольку процесс коммутации происходит одновременно в нескольких секциях под всеми щетками, то в каждой секции создаются э. д. с. взаимоиндукции.

Э. д. с. самоиндукции и взаимоиндукции, называемые реактивными э. д. с, препятствуя изменениям тока, вызывают неравномерное распределение плотности тока под щеткой, что является причиной образования искрения, которое особенно интенсивно в момент размыкания щеткой секции обмотки.

Чрезмерная плотность тока при наличии разности потенциалов между щеткой и коллектором вызывает возникновение дугового разряда, который ионизирует тончайшие слои воздуха, находящегося между щеткой и коллектором, и способствует развитию дуги. Дуга может перейти к щетке другой полярности, образовав круговой огонь на коллекторе, и это приведет к повреждению послед него.

Искрение щеток может быть также вызвано рядом других причин, как-то: неровностью поверхности коллектора, биением щеток загрязненностью поверхности коллектора, наличием влаги на не и т.д.

Даже незначительное искрение щеток является нежелательный так как увеличивается износ щеток и коллектора и повышаете нагрев последнего за счет увеличения переходного сопротивления между щеткой и коллектором.

Наиболее эффективным способом улучшения коммутации является компенсация реактивных э. д. с. Для этого в зоне коммутации, в которой находятся . активные стороны коммутируемы: секций, необходимо создать такое внешнее магнитное поле, при ко тором индуктируемая в секциях э.д. с. вращения е_v„ будет равен; и противоположна реактивной э.д.с. е_r, т.е. е_v = —е_r. Для создания такого внешнего магнитного поля устанавливают дополнительны полюсы Nк и Sк, размещая их между главными полюсами.

На рис. 141 показана схема генератора, якорь которого вращается каким-либо двигателем в направлении, показанном стрел­кой. В обмотке якоря индуктируется э. д.с, и при нагрузке проте­кает ток. Направление э. д. с. и тока в проводниках обмотки пока­зано на схеме, на которой выделены проводники 1 п 2 коммутируе­мой секции. Реактивная э. д. с. e_r препятствуя изменениям тока коммутируемой секции, будет направлена в проводниках 1 и 2

встречно изменениям тока, как показано на схеме. Для компенсации реактивной э, д. с. в проводниках 1 и 2 нужно создать э, д. с. вращения е_v = е_r, для чего и установлены дополнительные полюсы Nк

и Sk

Таким образом, полярность дополни­тельного полюса в генераторе должна со­ответствовать полярности следующего за ним в направлении вращения якоря глав­ного полюса. В двигателе полярность до­полнительного полюса должна соответст­вовать полярности предыдущего по на­правлению вращения якоря главного по­люса.

Обмотку возбуждения дополнитель­ных полюсов соединяют последовательно

с обмоткой якоря для того, чтобы реактивная э. д. с. была компенси­рована при любой нагрузке машины. Для этой же цели магнитная цепь дополнительных полюсов ненасыщена, т. е. между сердечником якоря и дополнительным полюсом создан сравнительно большой воздушный промежуток. Так как реактивная э. д. с. пропорциональ­на току в якоре, то она компенсируется при любой нагрузке машины в том случае, если э. д. с. вращения также пропорциональна току ( нагрузки. Поэтому магнитное поле в зоне коммутации должно изме­няться пропорционально току якоря.