УСТРОЙСТВО ВРАШАЮШИХСЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕАЕЙ ЭНЕРГИИ

Большое разнообразие электрических машин по характеру образования вращающего электромагнитного момента можно условно разделить на коллекторные машины и многофазные машины. В первом случае угол сдвига между неподвижными и вращающимися контурами токов (магнитами) создается с помощью так называемого щеточно-коллекторного узла; во втором - за счет организации многофазных обмоток, по которым протекает многофазная система токов. Хотя в обоих случаях преобразование энерпш осуществляется на основе электрической машины переменного тока, однако, способ получения вращающего момента накладывает существенные различия и на исполнение машин, и на их выходдые характеристики.

УСТРОЙСТВО КОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Исторически первыми представителями вращаюнщхся электрических машин были машины постоянного тока, которые получали энергию от статических источников электрической энергии.

На рис. 3.1 приведена простейшая машина постоянного тока. Она состоит из неподвижной части, на которой располагаются полюсы /, создающие магнитное поде, и вращающейся часта, состоящей из якоря 2 и коллектора 3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, в пазы на поверхности которого укладывается обмотка (см. рис. 3.5). В нашем случае

Простейшая машина постоянного тока

Рис. 3.1. Простейшая машина постоянного тока

она предстаатена одним витком, концы которого присоединены к двум медным пластинам коллектора, изолированным от вала и друг от друга. С помощью щеток 4, накладываемых на коллектор, обмотка якоря соединяется с внешней цепью. При вращении якоря в магнитном поде обмотки возбуждения, запитанной постоянным током, в витке будет наводиться переменная электродвижущая сила (ЭДС) - проводники, образующие виток, попеременно проходят под северным и южным полюсами, однако напряжение на щетках будет постоянным по направлению (рис. 3.2). Достигается такой результат с помощью коллектора и щеток. Дтя уменьшения пульсации выпрямленного напряжения, на первый взгляд, достаточно увеличить число витков и коллекторных пластай (рис. 3.3). Но такое решение оказывается неработоспособным. Если в исходном од- новитковом якоре переключение (коммутация) происходит при переходе ЭДС в витке и создаваемого им тока через нуль (рис. 3.1), то в рассматриваемом случае это условие не выполняется и при замыкании коллекторных пластан щетками даже при разомкнутой внешней цепи в внпсах будут возникать большие токи, разрыв которых будет сопровождаться сильным искрением или даже электрической дугой, что приведет к быстрому разрушению коллектора.

Кривые ЭДС и тока в якоре (а) и во внешней цепи (б)

Рис. 3.2. Кривые ЭДС и тока в якоре (а) и во внешней цепи (б)

Закон изменения выпрямленного напряжения

Рис. 3.3. Закон изменения выпрямленного напряжения

Решение проблемы было дано Пачинотти. Он, будучи студентом, в 1860 г. впервые создал обмотку, где вес витки образуют замкнутую цепь (контур) через их соединение на коллекторе. На рис. 3.4 приведена такая обмотка, усовершенствованная Гсфнер- Алыенеком в 1873 г. Здесь, в отличие от случая, приведенного на рис. 3.3, перемена направления тока в отдельном витке происходит при ЭДС (от поля возбуждения), равной нулю, и при этом достигается значительно большая мощность, так как здесь в процессе энергопреобразования участвуют все витки, образующие обмотку якоря.

Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения и вращающего момента число сторон витков (секции) на полюс должно быть нс менее семи-восьми. Они укладываются в пазы (рис. 3.5), что позволяет уменьшить воздушный зазор и тем самым снизить расход материалов на изготовление обмотки возбуждения. Геометрия воздушного зазора под полюсом, в свою очередь, выполняется таким образом, чтобы магнитное поле, создаваемое обмоткой возбуждения, носило бы форму, близкую к трапецеидальной (рис. 3.6) (такое требование к форме поля связано с обеспечением удовлетворительной коммутации, связанной с изменением направления тока в витке (секции) при его переходе из одной параллельной ветви в другую при наибольшем магнитном потоке под полюсом).

Якорь с обмоткой барабанного типа

Рис. 3.4. Якорь с обмоткой барабанного типа

Схематичное изображение якоря с барабанной обмоткой

Рис. 3.5. Схематичное изображение якоря с барабанной обмоткой

Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре при гладком якоре

Рис. 3.6. Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре при гладком якоре

Образование вращающего момента можно представить как результат взаимодействия проводников с током обмотки якоря с магнитным полем обмотки возбуждения. Другое объяснение образования вращающего момента связано со взаимодействием контуров токов обмотки возбуждения и якоря. Рассматривая распределение токов в проводниках последнего, нетрудно установить, что ось создаваемого ими магнитного поля лежит на линии, проходящей через щетки, т. е. оно неподвижно относительно контура возбуждения. Возникающий электромагнитный момент (сила) будет стремиться к совмещению их магнитных осей. Для случая направления токов в обмотке возбуждения /, и тока якоря /„ (рис. 3.7) под действием возникающего момента якорь будет поворачиваться против часовой стрелки. Причем важно отметить, что для заданных токов ia и if он будет постоянным, так как угол с,твита между магнитными осями обмоток определяется только положением щеток на коллекторе и нс зависит от положения якоря. На рис. 3.5 этот угод равен п!2 - оси взаимно перпендикулярны.

Распределение тока в проводниках обмотки якоря, обусловленное положением щеток на коллекторе

Рис. 3.7. Распределение тока в проводниках обмотки якоря, обусловленное положением щеток на коллекторе

Рассмотренный режим соответствует двигательному режиму. Как нетрудно установить, в этом случае направление тока якоря и наводимая ЭДС в проводнике направлены встречно, такое положение оказывается возможным за счет внешнего источника питания, напряжение которого выше индуктируемой ЭДС. Если при том же направлении движения якоря увеличивать наводимую ЭДС (за счет увеличения либо скорости, либо магнитного потока), то когда она окажется выше приложенного напряжения, машина перейдет в генераторный режим работы. Внешни! момент будет преодолевать ситу, стремящуюся совместить магнитные оси обмотки якоря и возбуждения. То обстоятельство, что магнитная ось обмотки якоря лежит на линии, проходящей через щетки, используется на практике для установки последних на коллекторе, обеспечивающих ортогональность между осями обмоток. Для этого обмотка возбуждения подключается к источнику переменного тока, а щетки замыкаются па вольтметр. Поворачивая их, находим такое положение, когда показания прибора будут равны нулю, что и будет соответствовать ортогональности между осями обмоток якоря и возбуждения.

Таким образом, кахлекторно-щеточный узел обеспечивает постоянный утл рассогласования между контурами токов якоря и возбуждения - необходимого и достаточного условия создания вращающего момента. При этом предполагается, что мы имеем дело с обмотками, имеющими одинаковое число полюсов. Заметим, что это же условие образования вращающего момента сохраняется и при протекании в обмотках якоря и возбуждения переменного тока одинаковой частоты при последовательном соединении указанных обмоток.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >