Обмотки якорей и ЭДС машины постоянного тока

Обмотки якорей машины постоянного тока изготовляют из изолированных медных проводов, а в машинах больших мощностей - из шин прямоугольного поперечного сечения; обмотки выполняются замкнутыми. При изготовлении обмотки из шин прямоугольного поперечного сечения (стержней) каждая секция может состоять из двух активных проводов (одновитковая секция). Из изолированного медного провода секции обмоток изготов ляют в виде катушек с определенным числом витков многовитковые секции).В машинах постоянного тока наиболее широкое применение находят двухухслойные обмотки, у которых в пазах якоря активные части секций размещаются в два слоя.

Каждая секция обмотки состоит из двух активных сторон, отстоящих друг от друга на расстоянии, близком к полюсному делению т. е. расстоянию между осями соседних разноизменных полюсов. При таком расстоянии между активными проводниками (шаге обмотки) ЭДС, индуктированные в этих проводниках, будут направлены в одну сторону и ЭДС секции будет иметь наибольшее значение, так как ЭДС ее активных сторон складываются (рис. 3). Одна активная часть секции находится в верхнем слое паза, другая - в нижнем. При изображении развернутых схем обмоток активные стороны, лежащие в верхнем слое паза, изображаются сплошной линией, а стороны нижнего слоя - прерывистой. Концы секции соединяются как с другими секциями обмотки, так и с коллекторными пластинами.

Секции, образующие обмотки, соединяются между собой так, чтобы индуктированные в них ЭДС были направлены согласно, т. е.

одну сторону. Для этого начальные (конечные) проводники последовательно соединенных секций должны находиться в любой момент под полюсами одинаковой полярности. В зависимости от порядка соединения секций друг с другом обмотки могут быть параллельными (петлевыми) и последовательными (волновыми).

На рис. 3 показана (толстой линией) одновитковая (а) и много-витковая (б) секции параллельной обмотки, состоящие из активной части верхнего слоя паза 1 и нижнего слоя паза 1+у₁. В этих обмотках последовательно соединяются между собой секции начальные (конечные), активные стороны которых находятся под одним полюсом в расположенных рядом пазах. Таким образом, концы секции параллельной обмотки присоединяются к двум соседним коллекторным пластинам (1' и 2'), причем в многовитковых секциях к пластине 1' подключается начало первого витка, а к пластине 2' - конец последнего витка, соединяемый с началом следующей секции. Любая коллекторная пластина (например, 1') соединяется с двумя активными проводами, в каждом из которых проходит ток одной параллельной ветви обмотки,, так что между двумя щетками различной полярности обмотка образует две параллельные ветви.

Рис. 3 Секция простой параллельной обмотки

а) одновитковая, б) многовитковая

При параллельных обмотках число щеток должно быть всегда равно числу полюсов 2р и, следовательно, число параллельных ветвей 2а в этих обмотках равно числу полюсов, т. е. 2а=2р(а=р).

При большом числе полюсов параллельная обмотка образует много параллельных ветвей, что дает возможность понизить ток в одной ветви и уменьшает поперечное сечение провода обмотки.

В последовательных обмотках начальные (конечные) активные провода секций находятся под различными полюсами одинаковой полярности (рис. 4).

Рис. 4- Развернутая схема секций простой последовательной обмотки:

а) одновитковая, б) многовитковая

Активные стороны первой секции находятся под полюсами N₁ и S₂. Активные стороны второй секции, последовательно соединенной с первой, находятся под полюсами N₂-S₂, третьей секции - под полюсами N₃ и S₃ и т. д. После включения всех секций по окружности якоря соединяется верхний проводник пары n-1, лежащей рядом (обычно слева) с проводником пары n, от которого начали обход обмотки. Последовательно с верхним проводником пары n-1 включаем проводники, лежащие под полюсами S₁ N₂, S₂ и т. д., по окружности якоря, и заканчиваем проводником, лежащим рядом с проводником n-1. Затем вновь соединяем пары проводников, находящиеся под различными полюсами по окружности якоря и т. д., пока все проводники не окажутся включенными в замкнутую цепь. Вне зависимости от числа полюсов простая последовательная обмотка образует две параллельные ветви, т. е. 2а=2. Поэтому при любом числе полюсов машина может иметь только две щетки, если обмотка якоря последовательная, причем эти щетки должны помещаться на расстоянии 1/2p части окружности коллектора. Например, при р=2 расстояние между щетками должно быть равно четверти окружности коллектора. Это дает возможность делать доступной для осмотра не всю окружность коллектора, а только ее часть.

Наличие только двух параллельных ветвей свидетельствует о том, что в каждой ветви последовательно соединяется большое число активных проводов и ЭДС машины может иметь большое значение. Поэтому последовательные обмотки находят применение для машин высокого напряжения.

В проводнике, перемещающемся в магнитном поле в направлении, перпендикулярном направлению магнитных линий этого поля, создается ЭДС, равная c=B l v, где В - среднее значение магнитной индукции, Тл; l - длина проводника, м; v - скорость перемещения проводника, м/с.

На якоре машины укладывается большое число активных проводников, которое обозначим буквой N. В каждой параллельной ветви обмотки будет последовательно включено N/2a активных проводника. Таким образом, ЭДС машины E=N/2a·e=N/2aB l v.

Скорость перемещения проводников в магнитном поле v = 2рt n/60, где 2р - число полюсов машины; t - полюсное деление; т. е. расстояние между осями разноименных полюсов; n - частота вращения якоря машины в минуту.

Имея в виду, что произведение среднего значения магнитной индукции В на осевую длину полюса l и на полюсное деление t представляет собой магнитный поток одного полюса Ф=В l t, получим для ЭДС машины следующее выражение:

Для каждой машины величины р, N и а постоянны, так что отношение pN/60a = С представляет собой величину, постоянную для данной машины. Следовательно, ЭДС машины постоянного тока определяется следующим выражением: Е = СnФ, т. е. ЭДС машины постоянного тока равна произведению постоянной конструктивной величины С на частоту вращения якоря в минуту n и магнитный поток полюсов Ф. Это выражение показывает, что для изменения ЭДС (или напряжения) машины необходимо изменить либо частоту вращения якоря, либо магнитный поток полюсов. Так как изменение частоты вращения двигателя, приводящего в движение генератор, связано со значительными сложностями, то на практике регулировку ЭДС и напряжения производят изменением магнитного потока, который зависит от тока в обмотке возбуждения. В цепь обмотки возбуждения включают реостат для изменения тока возбуждения.

Лекция

Расчет и анализ цепей переменного

синусоидального тока,

и трехфазного силового трансформатора

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе, напряжении.

Электрические цепи переменного тока по количеству фаз разделяются на однофазные и многофазные.

Рис.1. Вольт-амперная характеристика:

а - линейного элемента; б - нелинейного элемента

Из многообразных электрических цепей широкое практическое применение имеют трехфазные электрические цепи.

По типу элементов, включенных в цепь, электрические цепи разделяются на линейные и нелинейные.

Электрическая цепь, электрическое сопротивление, индуктивность и электрическая емкость участков которой не зависят от значений и направлений токов и напряжений в цепи, а также от, называется линейной. Сопротивление линейных элементов не зависит также от температуры.

Связь между током и напряжением в линейных цепях выражается линейными алгебраическими или дифференциальными уравнениями

Вольт-амперная характеристика линейного элемента изображается прямой линией (рис. 1, а). Строго говоря, реальные электрические и радиотехнические цепи не подчиняются линейному закону. С изменением тока в индуктивной катушке с железным сердечником индуктивность L не остается постоянной, не остается постоянной и емкость С конденсатора с различными диэлектриками при изменении напряжения. Сопротивления всех приемников в той или иной мере зависят от температуры. Металлические проводники при нагревании увеличивают сопротивления, электролиты - уменьшают, сопротивление полупроводников и диэлектриков также изменяется при нагревании. Но учитывая, что в электрических цепях ряд приемников нагревается незначительно, изменением сопротивления этих приемников можно пренебречь и электрическую цепь считать линейной. В линейных цепях индуктивность L и емкость С цепи не зависят от значения и направления тока и напряжения.

Электрическая цепь, электрическое сопротивление, индуктивность или емкость хотя бы одного из участков которой зависят от значений или от направлений токов и напряжений в этом участке цепи, называется нелинейной электрической цепью.

Нелинейные электрические цепи имеют нелинейные элементы. Вольт-амперная характеристика нелинейного элемента изображается кривой линией. Примером нелинейных элементов являются вентили, электронные лампы, термосопротивления, лампы накаливания. Вольт-амперная характеристика вентильного диода изображена на рис. 1, б.

В дальнейшем будем изучать линейные электрические цепи. Электрические цепи бывают с последовательным соединением приемников (неразветвленные электрические цепи), с параллельным соединением приемников (разветвленные электрические цепи) и со смешанным соединением приемников.

1. Расчет однофазной цепи переменного синусоидального тока с последователдьным соединением резисторов R_i, индуктивных катушек X_Lj и конденсаторов Х_CК

В сеть с переменным синусоидальным напряжением U=120 В, частотой f=50 Гц последовательно включены: L=0,038 Гн; R₁=5 Ом; R₂=3 Ом; C=177 мкФ.

Определить показания измерительных приборов амперметра, вольтметра, ваттметра и фазометра (рис. 1), резонансную частоту fо, построить векторную диаграмму напряжений.

Рис 1. Принципиальная электрическая схема

Р е ш е н и е

В неразветвленной части цепи ток является одинаковым для всех участков, а напряжение распределяется пропорционально сопротивлениям участков цепи и равно геометрической сумме напряжений на участках цепи.

1. Сопротивление индуктивной катушки:

X_L = 2pfL = 2·3,14·50·0,038 = 12 Ом.

2. Сопротивление конденсатора:

3. Полное сопротивление цепи:

4. Показание амперметра:

5. Показание ваттметра:

6. Показание вольтметра на участке цепи:

7. Показание фазометра:

8. Значение резонансной частоты:

Для расчета цепей с последовательным соединением активных, индуктивных и емкостных сопротивлений применяется метод топографических диаграмм. Топографической диаграммой называется векторная диаграмма напряжений, расположенных в очередной последовательности элементов цепи. Каждой точке схемы электрической цепи соответствует точка на топографической диаграмме. При построении топографических диаграмм за исходный вектор (с нулевой начальной фазой) берется вектор действующего значения тока, так как он для всех участков цепи является одинаковым. Векторы падения напряжения на отдельных участках цепи размещаются в очередной последовательности элементов цепи с соответствующим сдвигом фаз.

9. Для построения векторной диаграммы выберем масштабы m_U, В/мм, m_I, А/мм и вычислим напряжение на отдельных элементах цепи:

U_L = X_L·I = 12 · 12 = 144 В;

U_R1 = R₁·I = 5 · 12 = 60 В;

U_R2 = R₂·I = 3 · 12 = 36 В;

U_C= X_C·I = 18 · 12 = 216 В.

Векторная диаграмма в выбранном масштабе построена на рис. 2.

При построении векторных диаграмм один из векторов обычно совмещают с осью х, а другие размещают по одну или другую сторону ее согласно сдвигу фаз.

Рис 2. Векторная диаграмма

Векторы напряжений на активных сопротивлениях Ū_R1 и Ū_R2 совпадают по направлению с вектором тока Ī, вектор Ū_L опережает, а вектор Ū_C отстает от вектора тока Ī на четверть периода или 90⁰. Вектор напряжения на зажимах цепи U равен геометрической сумме напряжений на всех ее элементах.

Отставание тока по фазе на 90⁰ от напряжения на индуктивном сопротивлении объясняется тем, что в индуктивном сопротивлении возникает ЭДС самоиндукции , величина которой пропорциональна скорости изменения тока. Следовательно, в момент прохождения тока через нуль максимальное значение, а когда ток принимает максимальное значение, ЭДС самоиндукции равна нулю. Таким образом, ток опережает ЭДС самоиндукции по фазе на 90⁰. А так как, по правилу Ленца, ЭДС самоиндукции имеет противоположное направление напряжению u_L, то по отношению к напряжению u_L ток отстает по фазе на 90⁰

На емкостном сопротивлении (ток опережает по фазе на 90⁰ напряжение) это объясняется тем, что в момент максимума напряжения на обкладках конденсатора скорость изменения поляризации диэлектрика минимальна (образование диполей и их ориентация к этому моменту завершаются). Наибольшая скорость поляризации диэлектрика, а следовательно, и величина тока смещения достигаются в момент, когда напряжение на обкладках конденсатора меняет свое направление, т. е. переходит через нуль.