Б) Колебания ротора под действием периодически изменяющегося момента на его валу

Найдем изменение углового отклонения , вызванного n-й гармоникой избыточного момента. Для этого уравнение (4-100) напишем в следующем виде:

. (4-101)

Решением этого уравнения при установившихся колебаниях будет синусоидальная функция времени, которую мы можем представить в виде временного вектора

. (4-102)

где — амплитуда углового отклонения, вызванного ν-й гармоникой избыточного момента М_ν;

φ_ν — сдвиг по фазе М_ν и .

Следовательно, уравнение (4-101) можно написать в векторной форме:

(4-103)

или соответственно

. (4-104)

Согласно (4-104) и (4-103) на рис. 4-93 построена векторная диаграмма моментов. (Пунктирный вектор — есть вектор мощности, колеблющейся с частотой νω_c. Амплитуда этой мощности равна: .)

Рис. 4-93. Векторная диаграмма моментов.

Из нее находим амплитуду углового отклонения

. (4-105)

Если частота νω_с колебания ν-й гармоники удовлетворяет равенству

, (4-106)

то амплитуда может достичь весьма большого значения, особенно при малом D:

. (4-107)

Частота колебаний, найденная из (4-106),

(4-108)

есть так называемая резонансная частота.

Частоту собственных колебаний найдем из уравнения (4-101), приравняв его правую часть нулю

. (4-109)

Разделим это уравнение на и введем обозначения:

; (4-110)

. (4-111)

Тогда оно будет иметь следующий вид:

. (4-112)

Решением этого уравнения, как известно, будет:

, (4-113)

где — начальное отклонение;

δ₀ — коэффициент затухания;

ω_св — частота собственных или свободных колебаний, равная

. (4-114)

так как во много раз меньше .

Сравнивая выражения для частоты собственных колебаний (4-114) и для резонансной частоты (4-108), мы видим, что они практически равны между собой. Поэтому мы можем говорить, что резонанс наступает в том случае, когда частота вынужденных колебаний равна частоте собственных колебании.

Для спокойной работы машины необходимо стремиться к тому, чтобы частота собственных колебаний была меньше частоты первой гармоники избыточного момента (ω_св < ω_c), а следовательно, и меньше частоты любой из высших гармоник (ω_св < νω_c). В большинстве случаев это удается сделать, увеличивая маховой момент агрегата.

При одиночной работе синхронного генератора, когда он работает на свою собственную сеть, не имеющую других синхронных машин, не может возникнуть синхронизирующий момент, так как при колебаниях вектор будет колебаться вместе с вектором . Следовательно, такая машина не представляет собой системы, способной к собственным колебаниям.

Приведем здесь практические формулы для расчета частоты собственных колебаний. Они получаются путем преобразования уравнения (4-114).

Удельный синхронизирующий момент (Момент при колебаниях будет несколько изменяться вследствие изменения E₀ и x_d. Величины E₀ и x_d не остаются постоянными при колебаниях из-за воздействия на соответствующие поля токов, возникающих в успокоительной обмотке и главным образом в обмотке возбуждения, так как ее постоянная времени соизмерима с периодом колебаний. Поэтому приведенные выводы следует рассматривать как приближенные.), если принять cosθ₀ l, равен:

где — ток короткого замыкания при данном возбуждении (E₀ по спрямленной характеристике холостого хода, x_d — ненасыщенное значение).

Имеем

,

где S_н — номинальная мощность, кВ·А.

Заменим далее момент инерции J маховым моментом

,

где g = 9,81 м/с²;

G — вес всех вращающихся частей, кг, приведенный к диаметру инерции D, м.

Теперь, учитывая, что и , получим вместо (4-114), Гц:

где .

Частота собственных колебаний f_св для дизель-генераторов и крупных гидрогенераторов обычно лежит в пределах f_св = 1 2 Гц.

4-13. Потери и коэффициент полезного действия

Потери в синхронной машине состоят из:

1. электрических потерь в обмотке статора;

2. магнитных потерь в стали статора;

3. добавочных потерь в полюсных наконечниках или в поверхностном слое бочки ротора, вызванных пульсациями поля вследствие зубчатости внутренней поверхности статора и высшими гармоническими поля статора;

4. механических потерь на трение в подшипниках и вращающихся частей о воздух или другой газ, охлаждающий машину;

5. потерь на возбуждение, причем к последним относятся не только потери в обмотке возбуждения, но и потери в возбудителе, если он посажен на один вал с синхронной машиной, и в регулировочных реостатах;

6. добавочных потерь при нагрузке, вызванных полями рассеяния статора.

Перечисленные потери в сумме (∑Р) составляют небольшую долю от номинальной мощности машины. Эта доля уменьшается с ростом ее мощности.

Коэффициент полезного действия (к.п.д.) синхронной машины определяется:

для генератора по формуле

;

для двигателя по формуле

.

Значения к.п.д. синхронных генераторов и двигателей отечественных заводов приведены на рис. 4-94.

Рис. 4-94. Значения к.п.д. (η) синхронных генераторов и двигателей при номинальном режиме их работы в зависимости от номинальной мощности Р_н.

Значения к.п.д. крупных гидрогенераторов колеблются в пределах 96 98, турбогенераторов 97 98,8%.

4-14. Нагревание и охлаждение

Нагревание отдельных частей синхронной машины обусловлено потерями, возникающими в ней при ее работе. Установившиеся превышения температуры этих частей, так же как и для асинхронной машины, не должны превышать определенных пределов, зависящих от класса изоляционных материалов, примененных для ее обмоток.

Для изоляции обмоток статора и ротора гидрогенераторов мощностью 1000 кВА и выше, а также гидрогенераторов напряжением 6300 В и выше независимо от мощности применяются изолирующие материалы класса В, причем эти материалы подвергаются пропитке асфальтобитумным составом. В этом случае допускается превышение температуры обмотки статора не выше 70°С при температуре охлаждающего воздуха 35°С.

Допускаемое превышение температуры обмотки возбуждения в случае, если она выполняется из полосовой голой меди, намотанной на ребро в один ряд с прокладками между витками из изолирующего материала класса В, принимается равным 95°С.

Для изоляции обмоток статора и ротора турбогенератора применяются, как правило, изолирующие материалы класса В. При температуре охлаждающего газа (воздуха или водорода) 40°С допускаются следующие превышения температуры: для обмотки статора, пропитанной асфальтобитумным составом, 65°С, для обмотки ротора 90°С и для активной стали 65°С.

Охлаждение электрической машины, как ранее указывалось, осуществляется главным образом посредством обдувания ее нагретых поверхностей воздухом. Охлаждение должно быть тем интенсивнее, чем больше мощность машины. Количество воздуха, которое необходимо прогнать через машину для ее охлаждения, тем больше, чем больше в ней потери. Оно может быть подсчитано, м³/с,

где ∑P — сумма потерь, кВт;

с — объемная теплоемкость воздуха, кВт·с/°С·м³;

Δθ — нагрев воздуха при прохождении его через машину, °С.

Количество воздуха, потребного для отвода тепла из мощных турбогенераторов или гидрогенераторов, достигает больших значений. Так, например, для турбогенератора 25000 кВт, потери которого при номинальной нагрузке (cos φ_н = 0,8) составляют 660 кВт, при Δθ

20°С, с = 1,1 получим согласно предыдущей формуле:

или 30·3600 = 108000 м³/ч.

Такое большое количество воздуха можно прогнать через машину только при помощи специальных вентиляторов, создавая в вентиляционных каналах достаточного сечения большие скорости воздуха.

Как отмечалось, вопросам охлаждения электрических машин уделяется большое внимание. Только при правильном разрешении этих вопросов удается построить надежно работающие машины, мощность которых в настоящее время достигает сотен тысяч киловатт.

Нормальные явнополюсные синхронные машины мощностью примерно до 3000 4000 кВ·А выполняются обычно открытой или защищенной конструкции, при которой воздух проходит с боковых сторон машины и выбрасывается в отверстия корпуса статора. Здесь значительное вентилирующее действие создают полюсы. Если этого действия недостаточно, то на валу с обеих сторон полюсов помещают крыльчатые вентиляторы.

Для турбогенераторов ранее широко применялась так называемая протяжная система вентиляции, при которой охлаждающий воздух забирается извне. Воздух при этом подводится к машине по особым каналам, расположенным под полом машинного зала. Этот воздух приходится очищать при помощи фильтров, так как наличие в воздухе посторонних примесей (пыли, вредных газов, чрезмерной влаги) может пагубно отразиться на работе машины. Применение фильтров, однако, не дает радикального решения задачи, так как они все же пропускают пыль в машину.

Значительно более совершенной является замкнутая система вентиляции или вентиляция по замкнутому циклу, при которой одно и то же количество воздуха проходит через генератор, воздухоохладители и снова поступает в генератор.

Воздухоохладители состоят из ряда трубок с ребрами, между которыми проходит подлежащий охлаждению воздух; по трубкам воздухоохладителя прогоняется вода. Замкнутая вентиляция по сравнению с протяжной вентиляцией имеет следующие преимущества: 1) почти полное отсутствие пыли в охлаждающем воздухе; 2) почти полное устранение опасности появления в воздухе влаги; 3) отсутствие длинных подводящих каналов для воздуха; 4) значительное уменьшение шума, создаваемого движущимся воздухом.

Все современные турбогенераторы, а также гидрогенераторы мощностью свыше 4000 кВ·А изготавливаются с вентиляцией по замкнутому циклу. К преимуществам такой вентиляции нужно отнести возможность применения в качестве охлаждающего газа водорода. Водородное охлаждение применяется для турбогенераторов, начиная с 25 тыс. кВт и выше. Применяют его также для мощных синхронных компенсаторов. Водородное охлаждение наряду с повышением охлаждающего эффекта значительно уменьшает потери в машине на трение ее вращающихся частей о газ. Его применение наиболее рационально для быстроходных машин с большой окружной скоростью, например для турбогенераторов на 3000 об/мин.

Снижение указанных потерь при применении водорода обусловлено меньшей плотностью этого газа. Он обычно представляет собой смесь, состоящую из 97 98% водорода и 3 2% воздуха. Плотность его составляет около 10% от плотности воздуха, вследствие чего вентиляционные потери при водородном охлаждении уменьшаются примерно в 10 раз по сравнению с воздушным охлаждением. Уменьшение этих потерь приводи к заметному повышению к.п.д. (на 0,8 1,3% при полной нагрузке и еще больше при меньших нагрузках).

В замкнутой системе вентиляции всегда поддерживается избыточное давление водорода [порядка 0,05 кГ/см² (или 0,05 атм) и иногда больше]. Таким образом, в случае нарушения уплотнений исключается возможность проникновения в машину воздуха и образования газовой смеси, опасной в отношении взрыва.

Выше рассматривалось так называемое поверхностное (косвенное) охлаждение, при котором тепло отводится газом с нагретых поверхностей лобовых частей обмоток, стали статора и ротора. При этом неизбежно получается довольно большая разность температур меди обмотки и стенок паза. Ее обычно называют температурным перепадом в пазовой изоляции. Этот температурный перепад в крупных машинах на высокие напряжения достигает значения 30 35°С, которое во многих случаях приходится считать предельным, так как при больших значениях возможно повреждение изоляции из-за различных удлинений пазовой части обмотки и стали, обусловленных различием коэффициентов линейного расширения меди и стали, особенно при большой длине статора и ротора (например, для турбогенераторов). Кроме того, надо учитывать температурный перепад при переходе тепла с поверхности стали статора к охлаждающему газу, который в ряде случаев не удается получить меньше 15 20°С. Следовательно, если учесть еще средний подогрев газа в машине порядка 15°С, то получается предельное допускаемое превышение температуры для обмотки статора. При определении превышения температуры обмотки возбуждения турбогенератора надо прибавить еще температурный перепад в зубцах ротора (10 15°С) при переходе тепла от стенок паза к поверхности ротора, омываемой газом.

Указанные температурные перепады зависят от потерь в обмотках и стали, а также от потерь на трение. Следовательно, эти потери не должны превышать при данных размерах машины некоторых определенных значений. Поэтому при поверхностном охлаждении мы вынуждены брать для обмоток сравнительно небольшие плотность тока и линейную нагрузку, от произведения которых зависит температурный перепад в пазовой изоляции. Этим и объясняется то, что при максимальных допустимых (в отношении прочности материалов) размерах ротора предельной мощностью турбогенератора с поверхностным охлаждением является мощность порядка 150 тыс. кВт (первые машины на эти мощности были построены в Советском Союзе).

Повышение мощности турбогенераторов сверх примерно 150000 кВт стало возможным при применении внутреннего непосредственного охлаждения обмоток, когда охлаждающее вещество непосредственно соприкасается с голой медью. В этом случае охлаждение получается весьма эффективным, в особенности если в качестве охлаждающего вещества применяется вода (хорошо очищенная, дистиллированная). Проводники при этом делаются полыми или с вырезами, образующими каналы. Внутри проводников прогоняется газ или вода, подвод которой для обмотки статора делается при помощи шлангов из изоляционного материала. При наличии каналов, образованных вырезами в проводниках, что делается для обмотки ротора турбогенератора, по ним прогоняется водород.

При внутреннем непосредственном охлаждении обмоток турбогенераторов для повышения эффективности теплосъема с нагретых поверхностей давление водорода, циркулирующего внутри машины, доводят до 3 3,5 атм, так как коэффициенты теплоотдачи (Вт/°С·см²) увеличиваются пропорционально абсолютному давлению водорода примерно в степени 0,8. Указанные мероприятия позволили при сохранении тех же размеров значительно повысить мощности турбогенераторов (320000 кВт, заводы Советского Союза).

Мощности гидрогенераторов в настоящее время также достигают весьма больших значений. Здесь для обмоток статора также предусматривается внутреннее водяное охлаждение. Обмотка возбуждения выполняется таким образом, чтобы ее поверхность, непосредственно омываемая воздухом, была возможно больше. Для этого оставляются промежутки между сердечниками полюсов и катушками, выполняемыми из полых проводников, что создает достаточное увеличение поверхностей, омываемых воздухом, и, следовательно, обеспечивает надлежащие условия охлаждения.

4-15. Синхронные машины заводов Советского Союза

Синхронные машины, выпускаемые заводами Советского Союза, по своим характеристикам, экономичности и надежности в работе не уступают машинам передовых заводов США и европейских стран. Конструкции их вполне характеризуют современное состояние электромашиностроения в данной области. Многие заводы Советского Союза выпускают синхронные машины, предназначенные для работы в качестве генераторов, двигателей или синхронных компенсаторов. Явнополюсные генераторы небольшой мощности, начиная с нескольких киловольт-ампер, предназначаются для небольших передвижных или стационарных электроустановок. Большое количество генераторов выпускается для колхозных и межколхозных гидроэлектростанций.

Синхронные двигатели также находят себе все более широкое применение. Они во многих случаях вытесняют мощные асинхронные двигатели, по сравнению с которыми они, как указывалось, обладают рядом существенных преимуществ: высокий cos φ (при необходимости могут работать с опережающим током и тем самым улучшать cos φ всей электроустановки), несколько более высокий к.п.д. из-за меньших потерь в обмотках статора и ротора, менее чувствительны к понижению напряжения сети (их максимальный момент М_м U, тогда как для асинхронных двигателей М_м U²).

Особенно больших успехов в Советском Союзе достигли турбогенераторостроение и гидрогенераторостроение.

Первый турбогенератор на 100 тыс. кВт и 3000 об/мин был построен в СССР в 1937 г. Это была уникальная машина, намного опередившая зарубежную технику. В США такую машину построили только в 1951 г.

В настоящее время на ряде электрических станций Советского Союза работают турбогенераторы на 100000 кВт и 3000 об/мин с водородным охлаждением, изготовленные Ленинградским заводом «Электросила» имени С.М. Кирова. Тем же заводом в 1952 г. был изготовлен турбогенератор с поверхностным водородным охлаждением на 150000 кВт, затем были построены турбогенераторы с форсированным (внутренним) охлаждением обмотки ротора и водяным охлаждением обмотки статора на 165000 и 320000 кВт. Были выпущены также турбогенераторы с внутренним водородным охлаждением обмоток статора и ротора на 200000 кВт. В настоящее время разработаны проекты турбогенераторов с водяным охлаждением не только обмотки статора, но и обмотки ротора.

Следует также отметить уникальные синхронные компенсаторы на 75000 кВА, изготовленные в последние годы на заводах Советского Союза.

Гидрогенераторы Днепровской, Щербаковской, Угличской, Волжской имени Ленина, Волгоградской имени XXII съезда КПСС и других гидроэлектростанций, изготовленные в Советском Союзе, являются образцовыми для этого типа машин и превосходят по своим характеристикам и технико-экономическим показателям аналогичные машины зарубежных за­водов. В настоящее время изготовлены первые гидрогенераторы для Братской ГЭС на 225000 кBт, 15750 B, cos φ = 0,85, 125 об/мин (2р = 48); разработаны проекты гидрогенераторов для Красноярской ГЭС на 500000 кВт, 15750 В, и cos φ =0,85, 93,8 об/мин (2р = 64).

Конструкции современных турбогенераторов и гидрогенераторов приведены на рис. 4-95 4-97.

Риc. 4-95. Турбогенератор Харьковского завода тяжелого электромашиностроения мощностью 300000 кBт, 3000 об/мин, 20000 B с непосредственным охлаждением газом обмоток статора и ротора.

Рис. 4-96. Гидрогенератор Волжской ГЭС имени В.И. Ленина мощностью 115000 кBт, 68,2 об/мин выпуска 1953 г.

Рис. 4-97. Продольный разрез гидрогенератора завода "Уралэлектроаппарат" мощностью 2675 кB·A, 6300 B, 215 об/мин.

Глава 5. Машины постоянного тока

5-1. Устройство и основные элементы конструкции

Машины постоянного тока — генераторы и двигатели — находят себе широкое применение в современных электроустановках. Они выполняются с неподвижными полюсами и вращающимся якорем. На рис. 5-1 представлен схематически разрез четырехполюсной машины. Здесь же приведены названия ее основных частей.

Рис. 5-1. Основные части машины постоянного тока.

Характерной частью машин постоянного тока является коллектор. Он состоит из медных пластин, разделенных изоляционными прослойками и собранных в виде цилиндра (рис. 5-2,а).

Рис. 5-2. Коллектор (а) и лист якоря (б)

Якорь машины постоянного тока при его вращении перемагничивается, поэтому он собирается из листов электротехнической стали обычно толщиной 0,5 мм (рис. 5-2,б). Листы перед сборкой покрываются с обеих сторон лаком; таким образом, предотвращается образование в стали якоря больших вихревых токов. На внешней поверхности якоря после сборки листов получаются пазы и зубцы. В пазы закладываются проводники обмотки якоря, которые по особым правилам соединяются между собой и с коллекторными пластинами. На рис. 5-3 показаны пазы якоря. Они обычно делаются открытыми, что в большой степени облегчает укладку обмотки и позволяет хорошо ее изолировать. Для небольших машин делаются полузакрытые пазы, так же как для статоров асинхронных машин. У машин небольшой и средней мощности якорь помещается непосредственно на валу, для больших машин — на втулке, выполняемой в виде крестовины. Главные полюсы служат для создания основного поля в машине. Они имеют сердечники, на которых помещается обмотка возбуждения, и полюсные наконечники. Последние удерживают катушки возбуждения и способствуют наиболее благоприятному распределению индукции в воздушном зазоре машины вдоль окружности якоря. Полюсы в современных машинах собираются из стальных листов толщиной 0,5÷1 мм для уменьшения потерь от вихревых токов в поверхностном слое полюсных наконечников, обращенном к якорю. Вихревые токи возникают вследствие пульсации индукции, вызванной зубчатостью якоря: под отдельными частями полюсного наконечника проходит то зубец, то паз якоря, что вызывает в этих частях то сгущение, то разрежение магнитных линий Пульсации индукции проникают в сравнительно неглубокий слой, поэтому можно было бы делать слоистыми только полюсные наконечники. Однако технологически обычно выгоднее весь полюс собирать из листов.

Рис. 5-3. Пазы якоря

Ярмо статора или станина для современных машин большой и средней мощности выполняется из прокатанной листовой стали, согнутой в цилиндр и сваренной по шву, или из литой стали; для машин небольшой мощности — из цельнотянутой стальной трубы. Дополнительные полюсы выполняются обычно из кованой стали или собираются из листов. Они, так же как главные полюсы, прикрепляются к станине при помощи болтов. Их назначение — создать условия для безыскровой работы щеток на коллекторе (улучшить коммутацию, см. § 5-7).

На рис. 5-4 показана машина в разобранном виде. Здесь в нижней части показан якорь, имеющий слева вентилятор и справа коллектор.

Рис. 5-4. Машина постоянного тока в разобранном виде.
а — станина, б — якорь, в — подшипниковые щиты, г — траверса со щеткодержателями, д—коробка, прикрывающая зажимы.

Коллектор состоит из клинообразных пластин твердотянутой меди, которые изолируются друг от друга и от корпуса коллектора миканитом (с малым содержанием связующих веществ). Его конструкция показана на рис. 5-5.

Рис. 5-5. Конструкция коллектора.

Для малых машин в последние годы часто применяются коллекторы на пластмассе. В этом случае коллекторные пластины вместе с миканитовыми прокладками между ними запрессовываются в пластмассу при соответствующей термической обработке

На коллектор опираются угольные, графитные или металлографитные щетки, помещенные в щеткодержателях. При вращении якоря щетки сохраняют неизменное положение по отношению к полюсам машины. Щетка 2 (рис. 5-6), помещенная в обойме щеткодержателя, прижимается пружиной к коллектору. Щеткодержатели укрепляются на щеточных болтах, которые в свою очередь укрепляются на траверсе (рис. 5-4,г).

Рис. 5-6. Щетка и щеткодержатель со щеткой.
1 — отверстие для щеточного болта; 2 — щетка; 3 — пружина.

Траверса связывается либо с подшипниковым щитом, либо со станиной; ее можно поворачивать и тем самым изменять положение всей системы щеток по отношению к полюсам машины.

Щеточные болты изолируются от траверсы при помощи изоляционных шайб и втулок.

5-2. Получение постоянного тока при помощи коллектора

Вначале обратимся к кольцевому якорю. Он представляет собой полый цилиндр, собранный из листов электротехнической стали; этот цилиндр укреплен на валу машины, например, при помощи крестовины, имеющей спицы из немагнитного материала. Обмотка якоря обвивает полый цилиндр в виде спирали, поэтому ее называют спиральной или кольцевой обмоткой. Она образует замкнутый контур. Можно считать, что магнитный поток, создаваемый электромагнитами машины, будет проходить только по якорю (рис. 5-7). Если принять, что э.д.с. в проводниках наводятся в результате пересечения проводниками индукционных линии потока в воздушном зазоре, то при вращении якоря э.д.с. возникнут только в проводниках, лежащих на наружной поверхности якоря.

Рис. 5-7. Направление э.д.с., наведенных в обмотке кольцевого якоря.

Направления э.д.с. найдем, пользуясь правилом правой руки. В контуре обмотки вследствие симметрии обеих половин машины никакого уравнительного тока возникать не будет, так как в любой момент времени э.д.с. в проводниках, лежащих под разноименными полюсами, противоположны по. направлению и сумма их равна нулю.

Чтобы использовать э.д.с. обмотки, соединим ее с внешней цепью посредством неподвижных щеток. Последние могут скользить непосредственно по освобожденной от изоляции части проводников якоря, как это иногда делалось в машинах, изготовлявшихся в 80-х годах прошлого столетия. Для того чтобы полностью использовать э.д.с. обмотки, щетки нужно поставить на геометрической нейтрали, т. е. на линии, перпендикулярной оси полюсов. Щетки делят обмотку на две параллельные ветви, причем при указанном на рис. 5-7 положении щеток э.д.с. параллельной ветви будет наибольшей. Если щетки смещать, то э.д.с. в параллельной ветви будет уменьшаться и в предельном случае, когда щетки будут совпадать с осью полюсов, она будет равна нулю, так как в этом случае в каждую параллельную ветвь будут входить проводники с э.д.с., сумма которых равна нулю.

Напряжение на щетках, равное э.д.с. параллельной ветви обмотки, будет при большом числе витков обмотки практически постоянным по величине. Рассматривая вращающийся якорь (рис. 5-7), мы видим, что витки параллельной ветви, э.д.с. которых определяют напряжение на щетках, все время находятся в поле одной и той же полярности и, следовательно, в сумме дадут э.д.с. одного направления, несмотря на то, что э.д.с. каждого витка при его вращении будет переменной.

Приспосабливать обмотку якоря для непосредственного контакта со щетками нецелесообразно; гораздо лучше и надежнее этот контакт обмотки со щетками осуществить при помощи пластин коллектора; они при этом соединяются проводниками с отдельными витками замкнутой обмотки якоря (рис. 5-8), и, таким образом, щетки посредством коллектора так же делят обмотку якоря на параллельные ветви, как это было при непосредственном их контакте с проводниками якоря.

Рис. 5-8. Коллекторные пластины как замена непосредственного контакта щеток с проводниками якоря.

Идея применения коллектора в машинах постоянного тока впервые была осуществлена русским академиком Б. С. Якоби в изобретенном им двигателе постоянного тока (1834 г.).

Чем больше коллекторных пластин приходится на один полюс, тем меньше будут так называемые коллекторные пульсации напряжения на щетках. Они определяются как отношение разности максимального и среднего напряжений к среднему напряжению.

5-3. Якорные обмотки машин постоянного тока

А) Общие определения.

Кольцевой якорь со спиральной обмоткой в настоящее время не применяется, так как более выгодным и надежным является барабанный якорь с обмоткой, все проводники которой укладываются на его внешней поверхности.

При барабанном якоре обмотка состоит из витков, имеющих ширину, равную (или почти равную) полюсному делению. Здесь виток охватывает весь поток Ф, вступающий в якорь, и э.д.с. в нем получается в 2 раза больше, чем в витке спиральной обмотки, где максимальный поток, охватываемый витком, равен половине потока, вступающего в якорь. Поэтому для получения одной и той же э.д.с. при барабанной обмотке требуется витков в 2 раза меньше, чем при кольцевой. К тому же изготовление кольцевой обмотки гораздо сложнее и условия ее охлаждения хуже, чем барабанной обмотки.

Проводники барабанной обмотки укладываются в пазы. Они называются активными проводниками. Два активных проводника, соединенных друг с другом, образуют виток. Витки соединяются между собой и с коллекторными пластинами и образуют замкнутый контур.

Часть обмотки, находящаяся при ее обходе между следующими друг за другом коллекторными пластинами, называется секцией. Секция может состоять из одного или нескольких витков (рис. 5-9). Ширину секции следует выбирать или равной полюсному делению (расстояние по окружности якоря между осями соседних полюсов), или близкой к нему. Секционные стороны в пазах обычно размещают в два слоя. На рис. 5-10 показаны пазы якоря с размещенными в них секционными сторонами. Здесь прямоугольниками изображены секционные стороны, которые могут состоять из одного или нескольких активных проводников.

Рис. 5-9. Одновитковая секция, заложенная в пазы (а), и трехвитковая секция (б).

Для того чтобы правильно соединить секции обмотки между собой и с коллекторными пластинами, нужно найти шаги обмотки. Их целесообразно измерять числом элементарных пазов, причем под последними понимаются условные пазы с двумя секционными сторонами, расположенными одна над другой. На рис. 5-10,а показаны реальные пазы, которые в то же время являются и элементарными. На рис. 5-10,6 и в показаны пазы, из которых каждый состоит соответственно из двух и трех элементарных пазов. Нумерация элементарных пазов производится так, как показано на рис. 5-10.

Рис. 5-10. Пазы якоря

Секция обмотки укладывается в пазы таким образом, чтобы одна ее сторона находилась в верхнем слое паза, а другая сторона в нижнем слое. На рис. 5-11 изображены секции обмоток. Здесь часть секции, находящаяся в верхнем слое, изображена сплошной линией, а часть секции, находящаяся в нижнем слое, — пунктирной линией.

Рис. 5-11. Секции якорных обмоток.

Барабанные обмотки делятся на петлевые и волновые. Секции петлевой обмотки показаны на рис. 5-11,а и волновой обмотки — на рис. 5-11,б.

Различают следующие шаги обмоток (рис. 5-11):
у₁ — первый шаг, равный ширине секции или расстоянию между начальной и конечной сторонами секции;
у₂ — второй шаг, равный расстоянию между конечной стороной одной секции и начальной стороной следующей секции;
у — результирующий шаг, равный расстоянию между начальными сторонами следующих друг за другом секций;
у_к — шаг по коллектору, равный расстоянию между началом и кон­ом секции по окружности коллектора (измеряется числом коллекторных делений, т. е. расстояний между серединами соседних коллекторных пластин).

Если у измеряется числом делений элементарных пазов, то у и у_к выражаются одним и тем же числом, т. е.

y = y_к. (5-1)

Если обозначить: S — число секций, K — число коллекторных пластин, Z_э— число элементарных пазов, то

S = K = Z_э. (5-2)

Минимальное число параллельных ветвей 2а замкнутой обмотки равно двум, т. е.

2a ≥2. (5-3)

Для обеспечения симметрии обмотки общее число секций выбирается таким образом, чтобы на каждую пару параллельных ветвей приходилось целое число секций. В этом случае имеем:

целому числу. (5-4)

Б) Петлевая обмотка.

При петлевой обмотке первый шаг делается по окружности якоря в одну сторону, второй шаг — в противоположную (рис. 5-11,а), поэтому шаги петлевой обмотки связаны соотношением

y₁ – y₂ = y = y_к. (5-5)

Обычно у₁>y₂ и y>0. Такая обмотка называется неперекрещенной или правой. Здесь при обходе секций мы будем все время смещаться вправо. При у₁< у₂ и у<0 получается перекрещенная или левая петлевая обмотка. В этом случае при обходе обмотки будем все время смещаться влево. Левая обмотка на практике почти не встречается.

Число параллельных ветвей петлевой обмотки определяется числом полюсов 2р и значением результирующего шага у. В общем случае число параллельных ветвей петлевой обмотки равно:

2a = 2py. (5-6)

На рис. 5-11,а показаны две секции петлевой обмотки с шагом у = у_к=1. Такая обмотка называется простои петлевой. Она имеет число параллельных ветвей, равное числу полюсов: 2а = 2р. Простые петлевые обмотки применяются для машин средней и большой мощности.

Если у>1, то получается сложная петлевая обмотка. Петлевую обмотку называют также параллельной, и соответственно различают простую и сложную параллельные обмотки.

На рис 5-12 приведена схема — развертка простой петлевой обмотки при Z_э = S = K = 24, 2p = 2a = 4.

Рис. 5-12. Схема-развертка простой петлевой обмотки.
Z_э = S = K = 24; 2p = 2a = 4; y = y_к = 1; y₁ = 6; y₂ = 5.

Шаги обмотки взяты равными:

y = y_к = 1; ;

y₁ = 6; y₂ = y₁ – y; y₂ = 5.

Если схему начертить на полосе бумаги и обернуть ею цилиндр подходящих размеров, то мы получим наглядное представление о соединении секций между собой и с коллекторными пластинами.

Для той же самой обмотки на рис. 5-12а представлена так называемая радиальная схема.

Рис. 5-12а. Радиальная схема простой петлевой обмотки (кривые вне якоря условно показывают лобовые соединения на задней стороне машины, кривые внутри якоря — лобовые соединения на ее передней стороне; см. рис. 5-12).

На рис. 5-12 показаны полюсы и э.д.с, наведенные в секционных сторонах. Мы приняли, что полюсы расположены над обмоткой и что якорь относительно полюсов и щеток движется вправо.

При выбранном положении якоря относительно полюсов получаются четыре параллельные ветви (2а = 2р = 4); они показаны на рис. 5-13, где цифрами без штриха обозначены верхние секционные стороны, а цифрами со штрихом — нижние.

Рис. 5-13. Параллельные ветви простой петлевой обмотки (см. рис. 5-12).

При перемещении якоря некоторые секции замыкаются щетками. Они в это время не участвуют в создании э.д.с. параллельной ветви. Для рассматриваемого случая мы будем иметь то 6, то 5 секций в каждой параллельной ветви. В соответствии с этим напряжение на щетках будет несколько изменяться по величине, оставаясь постоянным по направлению. В практических случаях, когда взято на параллельную ветвь обмотки 15—20 и больше секций, коллекторные пульсации напряжения на щетках получаются меньше 1%.

Щетки на рис. 5-12 и 5-12а соприкасаются с коллекторными пластинами, соединенными с секционными сторонами, находящимися приблизительно посередине между главными полюсами, т. е. вблизи геометрической нейтрали. В этом случае считают, что щетки находятся приблизительно на геометрической нейтрали, имея в виду положение щеток не относительно полюсов, а относительно секционных сторон, с которыми они соединены. Щетки устанавливаются на геометрической нейтрали не только для того, чтобы иметь наибольшую э.д.с. в параллельной ветви, но и для того, чтобы в секциях, замыкаемых щетками почти накоротко, не могли образоваться большие токи.

Из сложных петлевых обмоток применяются иногда обмотки при у = 2 для машин на большие токи, для которых увеличение числа параллельных ветвей за счет увеличения числа полюсов невозможно или невыгодно.

Сложную петлевую обмотку можно представить себе, как две простые петлевые обмотки, уложенные на один и тот же якорь и смещенные одна относительно другой (рис. 5-14).

Рис. 5-14. Секции сложной петлевой обмотки (у = у_к = 2).

При исследовании якорных обмоток машин постоянного тока, так же как якорных обмоток машин переменного тока, применяются векторные диаграммы э.д.с. обмоток. Такие диаграммы можно построить, приняв, что кривая распределения индукции вдоль окружности якоря (кривая поля машины) синусоидальна. Тогда мы можем э.д.с., наведенные в секционных сторонах, изобразить временными векторами. Следовательно, э.д.с. одной какой-либо секции также изобразится вектором, равным разности векторов э.д.с., наведенных в сторонах этой секции (см. § 3-3,а).

Электродвижущие силы секций, следующих одна за другой, сдвинуты по фазе в соответствии с их сдвигом в магнитном поле. Этот сдвиг легко найти, так как сдвигу в магнитном поле на полюсное деление т соответствует сдвиг по фазе на 180°.

Для петлевой обмотки сдвиг между следующими одна за другой секциями равен у делений элементарных пазов, чему соответствует

.

Для обмотки, схема которой показана на рис. 5-12, имеем (y = 1, t = Z_э/2р = 24/4 = 6, следовательно, .

Складывая при обходе обмотки векторы э.д.с. отдельных секций, мы получим многоугольники э.д.с., каждый из которых соответствует одной паре параллельных ветвей обмотки. Они называются многоугольниками э.д.с. секций обмотки (или потенциальными многоугольниками обмотки).

Для обмотки рис. 5-12 мы получим два равных друг другу многоугольника э.д.с. обмотки (а = 2) с числом сторон , показанных на рис. 5-15. Здесь цифрами обозначены номера секций, соответствующие номерам коллекторных пластин.

Рис. 5-15. Многоугольник э.д.с. обмотки (см. рис. 5-12).

При помощи рис. 5-15 можно найти пульсацию э.д.с. на щетках. Она равна:

где ;

для данного случая DE% » 1,2%

Очевидно, что при K/a, равном нечетному числу, которое обычно и выбирается, пульсация э.д.с. на щетках будет относительно меньше.

При увеличении числа секций в параллельной ветви многоугольник приближается к окружности.

Из схем обмоток и соответствующих многоугольников э.д.с. следует, что если мы при обходе некоторого числа секций обмотки смещаемся в магнитном поле на t, то получаем при этом одну параллельную ветвь. Таким образом, число параллельных ветвей равно общему сдвигу в магнитном поле при обходе всех секций обмотки, поделенному на t. Для петлевой обмотки общий сдвиг в магнитном поле равен yS, а число параллельных ветвей

.

В) Волновая обмотка.

При волновой обмотке второй шаг y₂ делается в ту же сторону, что и первый шаг y₁ (рис. 5-11,б), поэтому шаги обмотки связаны соотношением

y₁ + y₂ = y = y_к. (5-7)

Результирующий шаг у должен быть больше или меньше, чем двойное полюсное деление 2t, чтобы при обходе секций все они были включены в обмотку. Поэтому, делая один обход по окружности якоря, мы попадаем в элементарный паз, сдвинутый вправо или влево от начала обхода на х делений элементарных пазов (рис. 5-11,б). Так как мы должны при этом сделать столько результирующих шагов у, сколько имеется пар полюсов, то yp±x = Z_э = S. Отсюда получаем:

(5-8)

Число параллельных ветвей волновой обмотки зависит только от х, оно равно 2а = 2х. В этом можно убедиться, рассматривая схемы обмоток.

Формула для результирующего шага пишется следующим образом

. (5-9)

Верхний знак соответствует неперекрещенной обмотке, нижний знак — перекрещенной.

При а = 1 получается простая волновая обмотка или простая последовательная обмотка. При а > 1 получается сложная волновая или сложная последовательная обмотка.

На рис. 5-16 приведена схема-развертка простой волновой обмотки:

2p = 4; Z_э = S = K = 19; 2a = 2;

y₂ = y – y₁ = 4.

Рис. 5-16. Схема-развертка простой волновой обмотки
Z_э = S = K = 19; 2р = 4; у = y_к = 9; y₁ = 5; y₂ = 4; а = 1.

Радиальная схема той же обмотки приведена на рис. 5-16а.

Рис. 5-16а. Радиальная схема простой волновой обмотки (кривые линии вне якоря условно показывают лобовые соединения на задней стороне машины, кривые внутри якоря — лобовые соединения на ее передней стороне (см рис. 5-16).

На рис. 5-17 представлены параллельные ветви обмотки, соответствующие положению якоря и коллектора относительно полюсов и щеток, показанному на рис. 5-16. Получаются две параллельные ветви. Для любой волновой обмотки можно взять только две щетки (заштрихованные на рис. 5-16 и 5-17). Однако в обычных случаях берут число щеток равным числу полюсов, так как в этом случае поверхность коллектора лучше используется и его размеры можно сократить. Выключаемые при этом секции (замкнутые щетками) практически не изменяют (при большом числе секций в параллельной ветви) ее э.д.с.

Рис. 5-17. Параллельные ветви простой волновой обмотки (см. рис. 5-16) при двух щетках и при четырех щетках.

Сложную волновую обмотку можно представить себе, как а простых волновых обмоток, уложенных на якоре, имеющем число пазов и число коллекторных пластин в а раз больше, чем это нужно для одной простой волновой обмотки. Сложные волновые обмотки на практике встречаются сравнительно редко.

Простая волновая обмотка находит себе самое широкое применение для нормальных машин небольшой и средней мощности при 2р=4 и 6. Ее преимущество перед простой петлевой обмоткой заключается в том, что она при любом числе полюсов имеет только две параллельные ветви и, следовательно, при 2р>2 требует меньше проводников. При этом сечение проводников должно быть взято больше, чем при петлевой обмотке, но при меньшем числе проводников изготовление обмотки облегчается. Другим важным преимуществом простой волновой обмотки является то, что она не требует уравнительных соединений, тогда как петлевая обмотка при 2р>2 должна быть снабжена уравнительными соединениями.

Число параллельных ветвей волновой обмотки, как отмечалось, зависит только от х коллекторных делений между началом и концом одного обхода по окружности коллектора. Это можно доказать, пользуясь теми же рассуждениями, что и в отношении петлевой обмотки. Для волновой обмотки можно также построить векторные диаграммы э.д.с. — многоугольники э.д.с. обмотки. Здесь сдвиг по фазе э.д.с. секций, следующих одна за другой при обходе обмотки, соответствует их сдвигу в магнитном поле, равному 2t-у (см. рис. 5-11,б). Так как число параллельных ветвей 2а равно общему сдвигу в магнитном поле при обходе всех секций обмотки, т. е. (2t-y)S, поделенному на t, то получим: 2а = (2t-y)S:t. Подставляя сюда (5-8) и t=S/2р, будем иметь:

(здесь знак минус опускаем, так как 2а — число существенно положительное).