MPT_UP4_end_ZEI

50

Рис. 1.10. Радиальная схема простой петлевой обмотки при различных положениях якоря (по сравнению с рис. 1.9в)

На коллектор устанавливают щетки с учетом следующих соображений:

1)на равном расстоянии друг от друга, так как в при этом переменный ток обмотки якоря будет полностью выпрямлен коллектором (выпрямленный ток протекает в нагрузке);

2)на линии геометрической нейтрали 1"–1" по коллектору, так как при этом напряжение на щетках будет наибольшим.

Для положения якоря зафиксированного на рис. 1.9в и 1.8б щетки установлены с учетом этих соображений на коллекторных пластинах 1 и 4.

3.4.4. Электрическая схема обмотки

Развернутую схему простой петлевой обмотки можно представить в виде двух участков (параллельных ветвей), каждый из которых состоит из последовательно соединенных секций, включенных между щетками разной полярности.

Для положения якоря зафиксированного на рис. 1.9б, 1.9в и 1.8б одна параллельная ветвь (первая) состоит из секций 1, 2 и 3, а другая параллельная ветвь (вторая) состоит из секций 4, 5 и 6. Электрическая схема обмотки, соответствующая этому положению якоря, показана на рис. 1.11а.

Из анализа рис. 1.9в, 1.8б и 1.11а следует, что электродвижущие силы параллельных ветвей действуют относительно друг друга встречно, а по отношению к внешней цепи (то есть по отношению к нагрузке) ветви включены параллельно. Следовательно, напряжение на щетках определяется эдс одной параллельной ветви, а ток в нагрузке равен суммарному току всех параллельных ветвей

(он равен току протекающему через щетку).

Замечаем, что число пар параллельных ветвей а равно числу пар полюсов р:

Этот вывод является общим для простой петлевой обмотки.

На рис. 1.11б, 1.11в и 1.11г приведены электрические схемы обмотки для трех положений якоря, смещенных по направлению его вращения, соответственно на 30, 60 и 90º (рис. 1.10а, 1.10б и 1.10в). Из сравнительного анализа электрических схем рис. 1.11 замечаем, что в процессе вращения якоря имеет место следующее:

1)секции переходят из одной параллельной ветви в другую;

2)переходящие секции в период перехода замыкаются щетками накоротко;

51

Рис. 1.11. Электрическая схема соединений обмотки якоря, соответствующая положению якоря:

а– на рис. 1.9в; б– на рис. 1.10а; в– на рис. 1.10б; г– на рис. 1.10в;

52

3)число секций в параллельных ветвях изменяется от минимального значения до максимального. Следовательно, и выпрямленное напряжение на щетках изменяется от минимального значения до максимального. Этим и обусловлены пульсации напряжения на щетках, которые сглаживаются и становятся практически незаметными уже при отношении Z/2p = 8 (рис. 1.3, лист 2 и 3);

4)в секциях, переходящих из одной ветви в другую, изменяется направление эдс и тока на противоположное.

В табл. 1.1 приведено состояние (положение) секций простой петлевой обмотки якоря для четырех его положений соответствующих рис. 1.11.

3.5. Эдс обмотки якоря

Эдс индуцируется в обмотке якоря полем возбуждения при вращении якоря (рис. 1.9в). Направление эдс в проводниках обмотки определяется по правилу правой руки (см. разд. 3.1) В симметричной обмотке якоря эдс параллельных ветвей одинаковы (уравнительные соединения не рассматриваются [1, 2, 4]).

53

Определениевеличиныэдспараллельной ветвипроизводитсяна основании законаэлектромагнитной индукции в формулировке Майкла Фарадея (1.2). После несложных преобразованийформулы(1.2) выражениедляопределенияэдсветвизаписываетсяввиде

Eа = cenФ, В, (1.11)

где коэффициент ce = pN/a – постоянная величина для данной машины постоянного тока, N – число активных проводников в обмотке якоря; n – частота

вращения якоря, об/с; Ф = Bсрlτ – полезный магнитный поток на полюс обмотки возбуждения, Вб; Bср – среднее значение магнитной индукции, которая принимается постоянной на протяжении полюсного деления τ, Тл (рис. 1.12).

Величина эдс параллельных ветвей зависит от их положения относительно главных полюсов, которое определяется установкой щеток на коллекторе. Если щетки расположены на линии геометрической нейтрали, то в параллельную ветвь входят секции только с одним направлением эдс, поэтому электродвижущая сила параллельной ветви будет наибольшей и определяется формулой (1.11). При сдвиге щеток с этого положения в параллельную ветвь войдут секции с эдс противоположного направления, и общая эдс параллельной ветви будет меньше вычисленной по формуле (1.11).

3.6. Реакция якоря генератора

Наряду с реальными щетками, расположенными на коллекторе (рис. 1.9 и 1.10), в теории электрических машин постоянного тока различают (для удобства ана-

лиза) условные щетки (рис. 1.13 и 1.15), которые располагают на поверхности сердечника якоря. Линия (ось) условных щеток смещена относительно линии (оси) реальных щеток на 90º. Реальные щетки могут быть сдвинуты с геометрической нейтрали по направлению вращения якоря или против этого направления. Сдвиг щеток необходим для влияния на реакцию якоря (см. наст. разд.) или на коммутацию (см. разд. П1.7). При сдвиге реальных щеток по коллектору на некоторый угол на такой же угол смещаются и условные щетки по якорю.

Удобство использования (при теоретическом анализе) условных щеток состоит в следующем:

1)выше линии условных щеток электрический ток в проводниках обмотки якоря имеет одно и тоже направление, ниже этой линии ток имеет противоположное направление (рис. 1.15). Поэтому поле якоря (вектор поля) всегда на-

правлено по линии условных щеток.

2)если условные щетки смещаются вдоль окружности якоря по направлению его вращения (или в противоположном направлении), то на такой же угол смещается и вектор поля якоря.

54

Рис. 1.12. Распределение магнитной индукции на двух полюсных делениях – а; изменение переменной эдс во времени в витке – б; изменение выпрямленных эдс и тока в нагрузке – в

55

56

Рис. 1.13. Картина магнитного поля: а– обмотки возбуждения; б– обмотки якоря; в– результирующего поля машины, в режиме генератора

Рис. 1.14. Распределение в пространстве магнитного поля: 1 – обмотки

возбуждения; 2 – обмотки якоря (3 – мдс обмотки якоря); 4 – результирующего поля машины в режиме генератора при ненасыщенном магнитопроводе;

5 – при насыщенном магнитопроводе

57

58

Рис. 1.15. Действие реакции якоря в генераторе постоянного тока: а– щетки расположены по линии геометрической нейтрали (г.н.); б– щетки смещены с г.н. по направлению вращения якоря;

в– щетки смещены с г.н. против направлению вращения якоря

3.6.1. Магнитное поле при нагрузке

При работе генератора постоянного тока вхолостую, без нагрузки, в нем существует только магнитное поле главных полюсов, которое создается при протекании по обмотке возбуждения постоянного тока. При нагрузке к щеткам подключены потребители и по обмотке якоря протекает электрический ток, который создает магнитное поле якоря. Поэтому при нагрузке в генераторе устанавливается результирующее магнитное поле, которое обусловлено совместным действием магнитодвижущих сил обмотки возбуждения и обмотки якоря, а также состоянием (насыщением) магнитной системы.

На рис. 1.13а, б, в приведены соответственно картины поля возбуждения, поля якоря и результирующего поля генератора постоянного тока. На рис. 1.14 показано, при развернутом в плоскость якоре, распределение вдоль полюсных делений τ: поля возбуждения (кривая 1), мдс и поля якоря (кривые 2 и 3) и результирующего поля (кривая 4, она соответствует ненасыщенной магнитной системе; кривая 5 – насыщенной). На рис. 1.13 и рис. 1.14 показаны условные щетки, расположенные на линии геометрической нейтрали.

Как видно из рис. 1.14 поле возбуждения (кривая 1) распределяется вдоль полюсного деления примерно по трапецеидальному закону, причем в точках a и b

поле возбуждения проходит через нуль. На рис. 1.14 показано, что распределе-

ние поля якоря (кривая 3) вдоль полюсных делений имеет седлообразный ха-

рактер. Уменьшение индукции поля якоря между полюсами обусловлено увеличением магнитного сопротивления на этих участках. Как следует из сопоставления рис. 1.13а и 1.13б, а также из сопоставления кривых 1 и 3 рис. 1.14,

поле возбуждения и поле якоря сдвинуты в пространстве на 90º. Результи-

рующее поле определено алгебраическим суммированием соответствующих ординат поля возбуждения и поля якоря (рис. 1.14, кривая 4). При этом предполагалось, что магнитная система не насыщена. Как следует из рис. 1.14 результирующее поле, в отличие от поля возбуждения, проходит через нуль в

точках a' и b', причем эти точки смещены с линии геометрической нейтрали по направлению вращения якоря генератора постоянного тока.

Воображаемая прямая линия, проходящая через точки a' и b', в которых результирующее поле равно нулю, называется физической нейтралью.

Таким образом, общий вывод: физическая нейтраль смещается в генераторе постоянного тока по направлению вращения якоря (рис. 1.13в и 1.14).

Очевидно, что при изменении величины нагрузки (то есть при изменении тока

59