Достоинства и недостатки коллекторных машин постоянного тока

Электрические машины постоянного тока используют как в качестве генераторов, так и двигателей. Наибольшее применение имеют двигатели постоянного тока, диапазон мощности которых достаточно широк: от долей ватта (для привода устройств автоматики) до нескольких тысяч киловатт (для привода прокатных станов, шахтных подъемников и других крупных механизмов).

Двигатели постоянного тока широко используют для привода подъемных устройств в качестве крановых двигателей и привода транспортных средств, а также в качестве тяговых двигателей.

Основные достоинства двигателей постоянного тока по сравнению с бесколлекторными двигателями переменного тока — хорошие пусковые и регулировочные свойства, возможность получения частоты вращения более 3000 об/мин, а недостатки — относительно высокая стоимость, некоторая сложность в изготовлении, пониженная надежность. Эти недостатки машин постоянного тока обусловлены наличием в них щеточно-коплекторного узла, который к тому же является источником радиопомех и пожароопасности. Но, несмотря на отмеченные недостатки, двигатели постоянного тока в некоторых случаях пока незаменимы, так как обладают большой перегрузочной способностью, хорошими пусковыми и регулировочными свойствами.

28. Петлевая и волновая обмотки якоря МПТ. Принцип выполнения обмоток якоря. Виды обмоток и их области применения.

Типы обмоток. В настоящее время в основном применяют якоря барабанного типа, в которых проводники обмотка укладывают в два слоя в пазы, расположенные на наружной поверхности якоря (рис. 8.13, а). Для того чтобы ЭДС, индуцированные в двух сторонах каждого витка, складывались, стороны его следует располагать под полюсами противоположной полярности (рис. 8.13, б). В этом случае в каждом витке индуцируется ЭДС, в два раза большая, чем в одном проводнике. Следовательно, как и вобмотках переменного тока, основной шаг обмотки должен быть примерно равен полюсному делению τ.

Рис. 8.13. Схемы расположения проводников обмотки на якоре барабанного типа (а и б) и схема двухслойной обмотки 7 (в) 1. 2, 3,.... 8, 1', 2', 3'............. 8' — проводники, образующие обмотку

Обмотки барабанного якоря подразделяют на две основные группы: петлевые (параллельные) и волновые (последовательные). В машинах большой мощности применяют также «лягушачью» (параллельно-последовательную) обмотку, вкоторой сочетаются элементы петлевой и волновой обмоток. Основной частью каждой обмотки является секция, состоящая из одного или нескольких последовательно включенных витков; концы секции присоединяют к двум коллекторным пластинам. Число секций S равно числу коллекторных пластин К. Все секции обмотки обычно имеют одинаковое количество витков.

На схемах обмоток секции для простоты всегда изображают одновитковыми. При двухслойной обмотке стороны секции, расположенные в верхнем слое, изображают сплошными линиями, а в нижнем слое — штриховыми (рис. 8.13, в). Шаг секции y ₁ (его называют также основным или первым частичным шагом обмотки) должен быть приблизительно равен полюсному делению τ. При. y ₁ = τ шаг называют диаметральным; при y ₁ < τ — укороченным; при y ₁ > τ — удлиненным.

Простая петлевая обмотка. При простой петлевой обмотке секцию присоединяют к соседним коллекторным пластинам (рис. 8.14, а).Для выполнения обмотки необходимо знать ее результирующий шаг y (рис. 8.14, б), первый y ₁ и второй y ₂ частичные шаги, а также шаг по коллектору у _к. Результирующим шагом обмотки называют расстояние между начальными сторонами двух секций, следующих одна за другой по ходу обмотки; первым частичным шагом (шагом секции) называют расстояние между двумя сторонами каждой секции; вторым частичным шагом — расстояние между конечной стороной одной секции и начальной стороной следующей секции. Указанные расстояния обычно выражают в числе пройденных секций. Шагом по коллектору называют расстояние в коллекторных делениях между пластинами, к которым присоединены две стороны каждой секции. Так как К = S, то результирующий шаг обмотки у и шаг по коллектору у _к равны.

Рис, 8.14. Общий вид петлевой обмотки (а) и схема соединений ее секций (б)

29.

Рис. 8.15. Формы якорных катушек при петлевой (а)и волновой (б) обмотках (при одновитковых секциях): 1, 4 — пазовые части; 2, 5 — лобовые части; 3 — задняя головка; 6 —концы секций, припаиваемые к коллектору

При петлевой обмотке у = у₁ - у₂ и у_к = у. Обмотку называют простой, если у = у_к = ± 1. В этой обмотке каждая последующая секция расположена рядом с предыдущей, а якорная катушка имеет форму петли (рис. 8.15, а), что обусловило название этой обмотки. Обычно при выполнений обмотки принимают у_к = +1 (неперекрещенная обмотка), так как в этом случае несколько снижается расход обмоточного провода.

30. В простой петлевой обмотке секции, расположенные под каждой парой полюсов, образуют две параллельные ветви. В каждую из параллельных ветвей входит S_в = S/(2p) секций, поэтому число параллельных ветвей во всей обмотке

(8.8)

2а = S/Sв = 2р.

Условие 2а = 2р выражает основное свойство простой петлевой обмотки: чем больше число полюсов, тем больше параллельных ветвей имеет обмотка. Следовательно, тем больше щеточных пальцев должно быть в машине. Поэтому простую петлевую обмотку часто называют параллельной.

На рис. 8.16, а показана схема расположения щеток в четырехполюсной машине и образующиеся параллельные ветви. В реальной машине коллекторные пластины 1, 2 смещены относительно соединенных с ними секций на половину полюсного деления, поэтому щетки расположены по осям главных полюсов, а соединенные с ними секции — на геометрической нейтрали ОА (рис. 8.16, б).

На рис. 8.17, а для примера изображена схема петлевой обмотки четырехполюсной машины, а на рис. 8.17, б — ее эквивалентная схема, показывающая последовательность соединения отдельных секций петлевой обмотки и образующиеся при этом параллельные ветви. Цифрами 1, 2, 3 и т. д. обозначены активные проводники, лежащие в верхнем слое, я цифрами 1', 2', 3' — лежащие в нижнем слое обмотки.

Рис. 8.16. Схема параллельных ветвей в обмотке якоря четырехполюсной машины и расположение условных и реальных полюсов

31.

Рис. 8.17. Принципиальная схема петлевой обмотки четырехполюсной машины (а) и ее эквивалентная схема (б): S = K = 24, y 1 = 6, y 2 = 5, y = y к = 1

ЭДС Е, индуцированные во всех параллельных ветвях петлевой обмотки, теоретически должны быть равны. Практически из-за технологических допусков в величинах воздушного зазора под разными полюсами, дефектов литья в корпусе и других причин магнитные потоки отдельных полюсов несколько различаются между собой, а поэтому в параллельных ветвях индуцируются неодинаковые ЭДС. Разница между ними составляет 3 — 5%, однако вследствие небольшого сопротивления обмотки якоря эта ЭДС оказывается достаточной, для того чтобы по параллельным ветвям, даже при холостом ходе, проходили довольно значительные уравнительные токи, которые загружают щетки и способствуют возникновению искрения на коллекторе. Чтобы уравнительные токи замыкались помимо щеток, в петлевых обмотках предусматривают уравнительные соединения точек обмотки, имеющих теоретически равные потенциалы. Обычно между собой соединяют коллекторные пластины, к которым подключены равнопотенциальные точки обмотки (см. штриховые линии на рис. 8.17, а). Практически достаточно иметь одно-два уравнительных соединения на каждую группу секций, лежащих в одном пазу якоря, т. е. снабжать уравнителями 1/2 или 1/3 коллекторных пластин. Уравнительные соединения располагают обычно под лобовыми частями обмотки рядом с коллектором. В этом случае они находятся вне магнитного поля главных полюсов и в них ЭДС не индуцируется. Проходящие по уравнительным соединениям токи, идя по параллельным ветвям обмотки якоря, создают МДС, которые уменьшают неравенство магнитных потоков отдельных полюсов.

Простая волновая обмотка. При простой волновой обмотке секции, лежащие под разными полюсами, соединяют последовательно (рис. 8.18, а). При этом после одного обхода окружности якоря, т. е. последовательного соединения р секций, приходят к коллекторной пластине, расположенной рядом с исходной. Результирующий шаг обмотки (рис. 8.18, б) у = у ₁ + у ₂, частичные шаги (у ₁≈ y ₂)приблизительно равны

Рис. 8.18. Общий вид волновой обмотки (а) и схема соединения секций (б)

полюсному делению τ, а шаг по коллектору у_к — двойному полюсному делению. Между шагом по коллектору у_к и количеством коллекторных пластин К существует зависимость: pу_к ± 1 = К, откуда

32. (8.9)

33. у_к = (К ± 1)/р.

Так как величина у_к должна быть целым числом, то число коллекторных пластин К не может быть произвольным. Предпочтительно брать у_к = (К - 1)/р (неперекрещенная обмотка), так как при этом несколько уменьшается расход обмоточного провода. Якорная катушка в рассматриваемой обмотке имеет форму волны (см. рис. 8.15,б), поэтому обмотку называют волновой. В якоре барабанного типа направление ЭДС сохраняется неизменным во всех сторонах секций, расположенных в пределах одного полюсного деления, т. е. в S/(2p) сторонах секций. В простой волновой обмотке при одном обходе окружности якоря соединяют последовательно 2р сторон секций, поэтому количество секций в каждой параллельной ветви
S_в = pS/(2p) = S/2, а число параллельных ветвей обмотки

(8.10)

2a = S/Sв = 2.

Следовательно, число параллельных ветвей при простой волновой обмотке не зависит от числа полюсов и всегда равно двум; поэтому такую обмотку часто называют последовательной. Уравнительные соединения при простой волновой обмотке не требуются, так как в каждую параллельную ветвь входят секции, стороны которых расположены под всеми полюсами. В результате неравенство потоков отдельных полюсов не вызывает неравенства ЭДС в параллельных ветвях.

Последовательность соединения отдельных секций волновой обмотки и образующиеся при этом параллельные ветви показаны на рис. 8.19 на примере волновой обмотки чегырех-полюсной машины, имеющей 19 секций. При волновой обмотке в машинах малой мощности устанавливают только два щеточных пальца; в более мощных машинах для уменьшения плотности тока под щетками и улучшения токосъема обычно ставят полный комплект (2р) щеточных пальцев.

Области применения простых петлевых и волновых обмоток. Двухполюсные машины небольшой мощности выполняют с простой петлевой обмоткой, так как при двух полюсах волно-вая обмотка превращается в петлевую. По мере увеличения мощности переходят к более компактным четырехполюсным машинам, имеющим меньшую массу, чем двухполюсные. Четырехполюсные машины небольшой и средней мощности

Рис. 8.19. Принципиальная схема волновой обмотки четырехполюсной машины (а) и ее эквивалентная схема (б): S = К =19, у 1 = 5, у 2 = 4, у = у к = 9

часто имеют волновую обмотку, не требующую применения уравнительных соединений. При повышенном напряжении на щетках (до 1000 В и более) такую обмотку применяют в четырехполюсных машинах мощностью до 200—300 кВт.

Если напряжение на коллекторе невелико (110 или 220 В), то уже при мощности в десятки киловатт применяют четырехполюсные машины с петлевой обмоткой для уменьшения тока i _a в параллельной ветви. Его значение даже в весьма мощных машинах не должно превышать 250—300 А, так как при выполнении обмотки из проводников большого сечения возникают значительные технологические трудности при изготовлении якорных катушек и их укладке. При простой петлевой обмотке ток i _a = Ia/(2a) = Ia/(2p), поэтому с увеличением мощности и тока машины для сохранения тока i _a в допустимых пределах увеличивают число полюсов.

Рис. 8.20. Схема соединения секций лягушачьей обмотки (а), форма ее якорной катушки (б) и расположение проводников в пазах (в): 1 — петлевая обмотка; 2 — волновая обмотка

Сложные обмотки. При мощности более 1000 кВт становится выгодным применять сложные многоходовые обмотки якоря. В простейшем случае многоходовые обмотки представляют собой m простых петлевых или волновых обмоток, наложенных на общий якорь и смещенных относительно друг друга. В сложной петлевой обмотке число параллельных ветвей 2а = 2pm, а в сложной волновой — 2а = 2m, где m — число ходов обмотки. Результирующий шаг обмотки и шаг по коллектору соответственно равны: у = у_к = ±т; у = у_к = (К ± т)/р. Применение многоходовых обмоток позволяет увеличивать число параллельных ветвей при неизменном числе полюсов, увеличение которых в ряде случаев невозможно. Однако эти обмотки требуют сложных уравнительных. соединений.

В машинах большой мощности часто используют параллельно-последовательную (лягушачью) обмотку, представляющую собой комбинацию простой петлевой и многоходовой волновой обмоток (рис. 8.20). Обе обмотки уложены в одни и те же пазы и имеют общие коллекторные пластины. Чтобы уравнять ЭДС параллельных ветвей, образуемых петлевой и волновой обмотками, число параллельных ветвей 2а этих обмоток должно быть одинаковым; для этого число ходов τ волновой обмотки должно быть равно р. Секции волновой и петлевой обмоток являются друг для друга уравнителями, поэтому лягушачью обмотку выполняют без специальных уравнительных соединений.

29.Уравнительные соединения и комбинированная обмотка якоря. Электродвижущая сила и электромагнитный момент машин постоянного тока. Выбор типа обмотки якоря.

В сложных петлевых и волновых обмотках простые обмотки, образующие сложную, соединены параллельно через щеточный контакт. Но обеспечить одинаковый контакт щеток со всеми про­стыми обмотками практически невозможно, поэтому ток между простыми обмотками распределяется неодинаково, что нарушает равномерное распределение потенциала по коллектору и можем вызвать на нем искрение. Для устранения этого нежелательного явления применяют уравнительные соединения (уравнители) вто­рого рода, спомощью которых простые обмотки, входящие в сложную, электрически соединяют между собой в точках равного потенциала. Таким образом, если уравнители первого рода устра­няют нежелательные последствия магнитной несимметрии, то уравнители второго рода устраняют неравномерность в рас­пределении потенциала по коллектору при сложных обмотках якоря.

На рис. 25.9 представлена схема сложной волновой обмотки с уравнителями второго рода, соединяющими точки равного потен­циала на лобовых частях обмотки со стороны, противоположной коллектору. Эти точки отстоят друг от друга на расстоянии потен­циального шага

.

Секцию 2 соединяют с секцией 11, секцию 3 — с секцией 12 и т. д. (на схеме показаны лишь два уравнителя). Полное число уравнителей определяется по (25.12), но из соображения экономии меди обычно делают неполное число уравнителей второго рода.

В сложных петлевых обмотках уравнители второго рода вы­полняют, как показано на рис. 25.12. Ввиду того что в этой обмот­ке каждую секцию одной из простых обмоток присоединяют к пластинам коллектора, расположенным через одну (например, к нечетным пластинам), то пластины, находящиеся между ними (на­пример, четные), делят напряжение каждой секции на две части. Для обеспечения равномерного распределения напряжения между пластинами необходимо, чтобы эти части были одинаковыми, т. е. чтобы напряжение между каждой парой рядом лежащих пластин (например 1 и 2) было равно половине напряжения секции. С этой целью в обмотке применяют уравнители второго рода, с помощью которых середину секции со стороны, противоположной коллектору, соединяет с промежуточной пластиной (например, середину секции, присоединенной к пластинам 1 и 3, соединяют с пласти­ной 2, как это показано на рис. 25.12). Такой уравнитель прихо­дится «протягивать» между валом и сердечником якоря через спе­циальное отверстие.

Таким образом, если в сложных волновых обмотках применяют лишь уравнители второго рода, то в сложных петлевых обмотках необхо­димы как уравнители первого, так и уравнители второго рода.

Рис. 25.12. Уравнительные соединения второго

рода в сложной петлевой обмотке якоря

Комбинированная обмотка. Комбинированная (лягушачья) обмотка представляет собой сочетание петлевой и волновой обмоток, распо­ложенных в одних пазах и присоединенных к общему коллектору. Секция этой обмотки

показана на рис. 25.13, а. Так как каждая из составляющих обмоток двухслойная, то комбинированную обмотку укладывают в пазах якоря в четыре слоя, а к каждой пластине коллектора припаивают по четыре проводника.

Достоинство комбинированной обмотки — большое число параллельных ветвей при отсут­ствии уравнительных соединений. Однако неко­торая технологическая трудность в выполнении комбинированных обмоток ограничивает их применение машинами постоянного тока большой мощности, а также быстроходными машинами, в которых выполнение уравни­телей затруднено.

Рис. 25.13. Комбинированная обмотка якоря

На рис. 25.13, б показана часть развернутой схемы комбинированной обмотки. Шаги секций комбинированной обмотки принимают одинаковыми . Шаг по якорю комбинированной обмотки равен сумме шагов составляющих обмоток:

,

т. е. шаг комбинированной обмотки по якорю равен потенциаль­ному шагу [см. (25.11)]. Поэтому пластины коллектора, которые должны быть соединены уравнителями, в комбинированной об­мотке оказываются соединенными секциями.

Следует обратить внимание, что комбинированная обмотка выполнима лишь при условии равенства чисел параллельных вет­вей в волновой и петлевой составляющих обмотках. При этом ЭДС параллельных ветвей обмоток должны быть одинаковыми. В петлевой обмотке число параллельных ветвей 2= 2, в волновой обмотке 2=2. Для получения одинакового числа параллельных ветвей в обмотках волновую обмотку выполняют сложной с чис­лом = р. Число параллельных ветвей в комбинированной об­мотке 2 = 2 + 2 = 4.