Зміст звіту

Звіт повинен містити.

1. Мету роботи.

2. Складальні ескізи індуктора та якоря електричної машини.

3. Ескізи окремих елементів конструкції.

4. Коротке описання елементів конструкції та їхнє призначення.

5. Електричні схеми збудження машини (за завданням викладача).

Контрольні запитання

1. З якою метою елементи магнітопроводів ЕМП виготовляють із сталевих сплавів?

2. З яких основних елементів складається будь-яка електрична машина? Яке призначення цих елементів?

3. Чи рівнозначні поняття “індуктор” і “статор”, “якір” і “ротор”?

4. Який елемент конструкції притаманний лише для ЕМП постійного струму?

5. З якою метою активні елементи магнітопроводів виготовляють шихтованими?

6. Які конструкції синхронних ЕМП називають оберненими?

7. Які схеми збудження синхронних ЕМП ви знаєте? У чому переваги та недоліки цих схем?

8. Перелічіть основні вузли безконтактного синхронного ЕМП.

9. Які типи асинхронних ЕМП ви знаєте? У чому преваги асинхронних ЕМП з короткозамкненим ротором?

10. Назвіть основні елементи конструкції асинхронного ЕМП з порожнистим ротором.

Лабораторна робота 2

ВИВЧЕННЯ ЯКІРНИХ ОБМОТОК ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ

ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ЕНЕРГІЇ

Мета роботи

Вивчення принципів побудови і властивостей якірних обмоток ЕМП.

Теоретичні положення

Якірна обмотка є один з найважливіших елементів будь-якого ЕМП. Саме в обмотці якоря виникають ЕРС і течуть струми, внаслідок взаємодії яких з магнітним потоком індуктора створюються електромагнітні моменти, що зумовлюють електромеханічне перетворювання енергії.

Основним елементом якірної обмотки будь-якого ЕМП є секція – одно чи багатовиткова провідникова рамка. Як правило, секції обмоток ЕМП змінного струму виконують багатовитковими і тому їх найчастіше називають котушками.

Секції чи котушки з’єднані у схемі обмотки таким чином, що кінець кожної даної секції є одночасно початком наступної секції.

В ЕМП постійного струму кінці К і початки П кожної секції з’єднують з пластинами колектора. Таким чином, до кожної пластини колектора приєднано два провідника.

Послідовно з’єднані секції чи котушки створюють паралельні вітки якірної обмотки.

Відрізняють паралельні (петльові) і послідовні (хвильові) якірні обмотки ЕМП.

Крім того в ЕМП постійного струму відрізняють прості і складні обмотки якорі.

На рис. 2.1 зображені одновиткова секція петльовї обмотки (рис. 2.1, а) і одновиткова секція хвильової обмотки (рис. 2.1, б) ЕМП постійного струму та котушка петльової обмотки ЕМП змінного струму (рис. 2.1, в).

а б в

Рис. 2.1. Секції (а, б) і котушка (в) якірних обмоток ЕМП

Секції чи котушки обмоток складаються з активних провідників (сторін), що виділені на рис. 2.1 жирною лінією, і лобових частин, які з’єднують між собою активні провідники секції.

Активні сторони секцій чи котушок укладають у пази пакета якоря. При обертанні ротора ЕМП активні сторони перетинаються магнітним потоком індуктора у поперечному напрямку, внаслідок чого в активних провідниках виникають ЕРС.

Лобові частини секцій чи котушок перетинаються магнітним потоком практично уздовж його ліній і тому ЕРС у цих частинах майже не виникає. Відстань між активними сторонами секції обмоток ЕМП постійного струму називають першим частковим кроком обмотки Y₁ (рис. 2.1 а, б), а для котушок обмоток змінного струму – просто кроком обмотки Y. Крім того, в обмотках ЕМП постійного струму відрізняють другий частковий крок Y₂ і результуючий крок Y. Другий частковий крок є відстань між кінцевою активною стороною даної секції і початковою активною стороною наступної секції, що йде за даною.

Результуючий крок Y показує, на яку відстань уздовж окружності якоря зміщуються після укладення у пази однієї секції. Таким чином, ми маємо: Y = Y₁ + Y₂

Для петльових обмоток Y₂ вважають від’ємним. В ЕМП по-стійного струму звичайно кількість пластин колектора перевищує кількість пазів якоря у два – чотири рази, тому у цих ЕМП розрізняють кроки обмотки по пазах і кроки обмотки по колектору.

Якірні обмотки ЕМП постійного струму виходять двошаровими, тобто за умови у кожному пазу якоря будуть лежати по дві активні сторони секції. Це так звані елементарні пази.

Реальний паз якоря, таким чином, складається з елементарних пазів.

Петльову обмотку ЕМП постійного струму називають простою, якщо після укладення однієї секції наступна секція зміщується уздовж окружності колектора на одну пластину.

Хвильову обмотку називають простою, якщо після одного обходу окружності якоря також зміщуються на одну пластину колектора.

Далі будуть розглянуті тільки прості якірні обмотки ЕМП постійного струму, причому вважається, що Z = K.

Під час розрахунку якірних обмоток ЕМП постійного і змінного струму зручно вимірювати їхні кроки кількістю пазів якоря.

Розглянемо, з яких міркувань розраховується перший частковий крок Y₁ обмоток ЕМП постійного струму чи крок Y обмоток ЕМП змінного струму.

Як відомо, ЕРС провідника довжиною , що рухається у маг-нітному полі поперек ліній індукції В з лінійною швидкістю V, до-рівнює . Напрямок цієї ЕРС визначають за правилом правої руки.

Р озглянемо, як змінюються ЕРС активного провідника у машині з 2р = 4 полюсами (рис. 2.2, а) за один повний оберт якоря.

а б

Рис. 2.2. Характер зміни ЕРС за один оберт якоря у чотириполюсному ЕМП

Вісь симетрії полюсів індуктора називають повздовжньою віссю і позначають літерою d, а вісь, що проходить між полюсами – поперечною віссю і позначають літерою q.

Як можна бачити з рис. 2.2 , ЕРС провідників, що у даний момент часу розташовані на осі “q”, дорівнюють нулю.

В ЕМП постійного струму вісь q називають частіше геометричною нейтраллю.

За один повний оберт якоря (360) провідник послідовно займає позиції 1-8;1. При цьому його ЕРС змінюється на два періоди чи на 720 (рис. 2.2, б) .

Кут, що вимірює фазу ЕРС у провідниках якірної обмотки, називається електричним і вимірюється в так званих електричних градусах чи електричних радіанах (град.ел.; рад.ел.).

Полюсним діленням  називають частину окружності якоря, що припадає на один полюс τ = . Тут полюсне ділення вимірюється у кількості пазів якоря.

Аналізуючи рис.2.2, б, неважко бачити, що незалежно від фізичної довжини τ фаза ЕРС двох провідників, зсунутих уздовж окружності якоря на відстань τ, завжди відрізняється на 180 град.ел. Це аналогічно тому, що, коли провідник проходить відстань τ, фаза його ЕРС змінюється на 180 град. ел.

Коли індуктор ЕМП має 2р полюсів, то при повороті ротора на один повний оберт фаза ЕРС у провідниках якірної обмотки змінюється на кут α_ел = 180·2р град. ел.

Нехай ротор ЕМП постійного струму чи синхронного ЕМП обертається з частотою n; об/хв. Тоді частота f ЕРС у провідниках якірної обмотки, тобто кількість періодів ЕРС за одну секунду, становить

f = . (2.1)

Формулу (2.1) отримано за умови, що крива ЕРС (рис. 2.2, б) є синусоїдою.

Таким чином, в якірних обмотках будь-якого ЕМП діють змінні у часі ЕРС.

Як відомо, величини, що синусоїдально змінюються у часі з кутовою частотою , можна вважати за вектори, які обертаються проти годинникової стрілки з кутовою частотою .

На рис. 2.3 показані векторні діаграми ЕРС активних провідників та ЕРС одновиткової секції за умови різних співвідношень кроку секції Y і полюсного ділення . Крапки над символами показують, що означені величини є часовими векторами.

Вектор ЕРС секції дорівнює геометричній різниці векторів ЕРС її активних провідників.

а б в

Рис. 2.3. Векторні діаграми ЕРС одновиткової секції за умови різних спів-відношень кроку і полюсного ділення

Як можна бачити з рис. 2.3, а, ЕРС секції буде за інших рівних умов найбільшою, коли крок Y її (перший частковий крок для ЕМП постійного струму) дорівнює полюсному діленню .

Такі обмотки називають обмотками з повним чи діа-метральним кроком.

Скорочення кроку (рис. 2.3, б) чи його подовження (рис. 2.3, в) зменшує ЕРС секції.

Таким чином, перший частковий крок Y₁ якірної обмотки ЕМП постійного струму та крок Y обмотки ЕМП змінного струму визначають за формулою:

Y₁= ±ε; Y= ±ε , (2.2)

де Z – кількість пазів якоря; 2р – кількість полюсів індуктора;  – число, що доповнює крок обмотки до цілого числа.

Коли секція чи котушка має w витків, її ЕРС збільшується у w разів.

Обмотки з подовженим кроком майже не використовують, тому що, не маючи переваг у величині ЕРС, вони потребують більшої витрати провідникового матеріалу.

Розглянуте дозволяє зробити такі висновки:

– в обмотках якоря будь-яких ЕМП виникають змінні у часі ЕРС з частотою, що визначається формулою (2.1);

– виходячи з умови отримання максимальної ЕРС, перший частковий крок обмотки ЕМП постійного струму чи крок обмотки ЕМП змінного струму повинен дорівнювати полюсному діленню.

Проста петльова обмотка якоря ЕМП постійного струму та її властивості

Рис. 2.4. Розгортка простої петльової обмотки якоря при Z=K=12; 2р=4

Властивості простої петльової обмотки розглянемо на конкретному прикладі. Нехай якір містить Z = K = 12 пазів, а індуктор – 2р = 4 полюсів.

Перший частковий крок згідно з формулою (2.2)

Y₁= ±ε = =3,

тобто маємо діаметральну обмотку. Оскільки обмотка проста і Z = K, її результуючий крок Y =1. Тоді другий частковий крок Y₂ =Y – Y₁.

Схему-розгортку обмотки показано на рис. 2.4, яку побудовано за такою методикою. Приєднавши початковий провідник першої секції до пластини колектора №1, укладемо його активну частину у паз якоря №1 і зробимо перехід до пазу №4 (оскільки Y₁ =3). Вийшовши з паза №4, приєднаємо кінцевий провідник першої секції до пластини колектора №2. Наступну секцію обмотки починаємо з пластини №2 колектора і так далі, поки не будуть заповнені всі пази якоря. Кінцевий провідник останньої секції обмотки буде приєднуватися до першої пластини колектора.

Таким чином, секції обмотки ніби являють собою петлі, що ідуть услід одна за іншою уздовж окружності якоря. Як можна бачити з рис. 2.4, обмотка вийшла двохшаровою і замкненою сама на себе.

Вважаючи, що полюси індуктора якби лежать зверху розгортки обмотки і що машина працює генератором, визначимо, користуючись правилом правої руки, напрями ЕРС в активних провідниках обмотки. ЕРС провідників, що лежать на осях ”q” індуктора (геометричних нейтралях), дорівнюють нулю.

Тому секції, яким належать ці провідники, можуть бути замкнені щітками накоротко. Це є правило розташування щіток на колекторі ЕМП постійного струму. На рис. 2.4. замкнені щітками накоротко секції зображені жирними лініями.

Щітки однакової полярності з’єднують між собою шинами, які виводять на клемну панель якоря і маркірують знаками “+” і ““.

З рис. 2.4. можна бачити, що щітки ділять обмотку якоря на паралельні вітки: до кожної щітки підходять та відходять від неї по два струми і_я , де і_я – струм однієї паралельної вітки.

Кількість паралельних віток простої петльової обмотки 2а завжди дорівнює кількості полюсів індуктора 2р, тобто 2а = 2р. Це є головна властивість простих петльових обмоток, завдяки чому їх і називають паралельними.

Секції, що складають кожну паралельну вітку, з’єднані між собою послідовно. Тому результуючий струм петльової обмотки якоря дорівнює І_я = 2а , а ЕРС обмотки дорівнює ЕРС однієї паралельної вітки. Слід відмітити, що хоча обмотка замкнена сама на себе, струми всередині неї не течуть за умови, що до щіток не підключене навантаження.

Впевнитися у цьому можна, побудувавши зірку векторів ЕРС провідників обмотки, тобто потенціальну діаграму. Зсув за фазою векторів ЕРС двох провідників, що лежать у сусідніх пазах:

Град. Ел.

П отенціальну діаграму обмотки (рис. 2.4) зображено на рис. 2.5. Як можна бачити з рис. 2.5, потенціальна діаграма являє собою дві симетричні, накладені одна на іншу, зірки векторів ЕРС, геометрична сума яких дорівнює нулю. Кожна зірка відповідає одній парі полюсів індуктора чи обмотці якоря двополюсної машини. У загальному випадку кількість таких зірок простої петльової обмотки завжди дорівнює кількості р пар полюсів індуктора, тобто проста петльова обмотка подібна паралельному з’єднанню р обмоток якоря двополюсних машин.

Іноді з різних причин, наприклад, нерівномірності повітряного зазору, зірки векторів ЕРС кожної пари полюсів відрізняються одна від одної. Внаслідок цього, всередині обмотки виникає зрівнювальний струм навіть при відключеному навантаженні. При підключенні навантаження цей струм не зникає, що викликає неоднакове навантаження щіток однієї полярності, і перевантажені щітки починають іскрити.

З метою розвантаження щіток від зрівнювального струму для нього створюють обхідні шляхи – зрівнювачі першого роду. Ці зрівнювачі являють собою провідники, що з’єднують точки обмотки теоретично однакового потенціалу, що зсунуті уздовж окружності якоря на відстань 2. На рис. 2.4 показаний один із зрівнювачів першого роду.

Необхідність використання зрівнювачів першого роду ускладнює просту петльову обмотку.

Проста хвильова обмотка якоря емп постійного струму

Перший частковий крок хвильової обмотки визначається вже відомою читачеві формулою Y₁ = ±ε.

Визначимо формулу для результуючого кроку Y = Y₁ + Y₂.

На рис. 2.6. показано фрагмент простої хвильової обмотки. Як можна бачити з рис. 2.6, за кожний одноразовий обхід окружності якоря обходиться р(Y₁ + Y₂ ) = рY пазів, причому, оскільки розглядається проста обмотка, то після кожного обходу зміщуються уздовж окружності колектора на одну пластину колектора чи у напрямі обходу, чи у протилежному напрямі, тому маємо рівняння Y= . Зрозуміло, що Y може бути тільки цілим числом.

Рис. 2.6. Фрагмент простої хвильової обмотки чотириполюсного ЕМП постійного струму

З рис. 2.6 також випливає, що активні провідники секцій 1 і 2 розташовані практично на осях “q”, і тому ці секції можуть бути обидві замкнені накоротко лише однією щіткою. Секції 1 і 2 практично лежать на осях “d” північних полюсів індуктора. Коли б обмотку було завершено повністю, вона , як і петльова, вийшла б двошаровою і замкненою сама на себе. Отже, знайшлися би дві секції, аналогічні секціям 1 і 2, які були б розташовані на осях “d” південних полюсів. Ці секції були б замкнені накоротко також лише однією щіткою, але іншої полярності.

Описана ситуація притаманна хвильовій обмотці для ЕМП з будь-якою кількістю полюсів індуктора.

Звідси випливає висновок, що незалежно від кількості полюсів індуктора проста хвильова обмотка має тільки дві паралельні вітки: 2а = 2. Це суттєво відрізняє хвильову обмотку від петльової.

Кожна з двох паралельних віток складається з секцій, що послідовно проходять під усіма полюсами індуктора, в зв’язку з цим магнітна асиметрія однаково впливає на ЕРС паралельних віток, і зрівнювальний струм не виникає. Тому проста хвильова обмотка не потребує використання зрівнювачів першого роду.

З цієї ж причини у хвильовій обмотці можна використовувати лише дві щітки протилежної полярності. Але з міркувань надійності часто використовують кількість щіток, що дорівнює кількості полюсів.

Результуючий струм простої хвильової обмотки дорівнює, таким чином, І_я = 2і_я .

Хвильова обмотка може бути виконана лише для машин з кількістю полюсів, більшою двох.