Параллельная работа синхронных генераторов с сетью (стр. 9 )

Обмотка якоря соединяется с коллектором. К каждой коллекторной пластине подходят два вывода: от конца одной секции и от начала следующей за ней секции. Условимся коллекторной пла­стине присваивать номер той секции, с началом которой она со­единена.

Для размещения щеток на коллекторе необходимо знать рас­положение полюсов. Наметим на рис. 18.12, б контуры главных полюсов, для чего произвольно разобьем якорь на 2р равных ча­стей (в данном случае на четыре части). Линии раздела между полюсами являются геометрическими нейтралями (ГН), а рас­стояние между соседними нейтралями равно полюсному деле­нию τ.

Щетки размещают на коллекторе таким образом, чтобы они соприкасались с пластинами, к которым подсоединены секции, расположенные вблизи от геометрических нейтралей. При сим­метричной форме лобовых частей щетки геометрически оказыва­ются расположенными по оси полюсов (продольной оси d). Однако и в этом случае говорят, что щетки установлены на геометри­ческой нейтрали, понимая под этим то, что они электрически соединены с секциями, расположенными в нейтрали или вблизи нее. Из рисунка видно, что некоторые щетки перекрывают две соседние коллекторные пластины и замыкают накоротко секцию, подсоединенную к ним. Такие секции называются короткозамкнутыми, или коммутируемыми.

При вращении якоря со скоростью υа в проводниках его обмот­ки будет наводиться ЭДС, направление которой показано на рис. 18.12, б стрелками. Электродвижущие силы в проводниках, рас­положенных под соседними полюсами, имеют противоположные направления вследствие разной их полярности. В короткозамкнутых секциях ЭДС наводиться не будет, так как стороны этих сек­ций лежат вблизи нейтралей, где индукция магнитного поля прак­тически равна нулю.

Рис. 18.13. Схема образования параллельных ветвей петлевой обмотки, показанной на рис. 18.12, б

По отношению к выводам машины обмотка якоря оказывается разделенной на несколько параллельных ветвей, схема соединения которых показана на рис. 18.13. Сопоставив эту схему с рис. 18.12, б, можно обнаружить, что в каждую параллельную ветвь входят сек­ции, начала которых располагаются под одним и тем же полюсом. Следовательно, в общем случае число параллельных ветвей обмот­ки 2а равно числу полюсов 2р машины, т. е. 2а=2р. Это соотноше­ние является характерной особенностью петлевых обмоток. В рас­смотренном примере 2а = 2р = 4.

Сложные петлевые обмотки представляют собой совокупность т простых петлевых обмоток, уложенных в соседних элементар­ных пазах. Применяются они в случае необходимости увеличе­ния числа параллельных ветвей, число которых 2а = 2рт. При образовании сложной обмотки производится соединение секций, отстоящих одна от другой на т элементарных пазов. В этом слу­чае у у = ук = т, а частичные шаги

y1 = Zэ/(2р) - ε ;

(18.4)

у2 = у1 -у= у1 -m.

Щетки в случае применения сложной петлевой обмотки выби­раются более широкими, чем для простой петлевой обмотки, так как они должны перекрывать не одну, а, как минимум, т коллек­торных пластин.

18.5. Волновые обмотки

Рис. 1.8.14. Волновые обмотки с неперекрещивающимися (а) и перекре­щивающимися (б) секциями

Простую волновую обмотку получают последовательным со­единением секций, начала которых лежат под следующими друг за другом одноименными полюсами (рис. 18.14). При таком соеди­нении результирующий шаг у примерно равен двум полюсным делениям. После р шагов обмотка совершает волнообразный об­ход якоря. При этом, чтобы при первом же обходе не произошло замыкание обмотки на исходную секцию, ее необходимо подвес­ти к элементарному пазу, расположенному слева или справа от исходного. Тогда ру=Zэ±1, откуда результирующий шаг волновой обмотки

у=(Zэ±1)/p.

Если при расчете результирующего шага по этой формуле перед единицей взять знак минус, то после обхода якоря обмотка не дойдет на один паз до исходного (см. рис. 18.14, а), а если взять знак плюс, то перейдет ее на один паз (см. рис. 18.14, б). Следовательно, в первом случае обмотка будет неперекрещивающейся, а во втором — перекрещивающейся. Как и в случае использования петлевой обмотки, в машинах постоянного тока применяются неперекрещивающиеся волновые обмотки. Так как при этом число секций равно числу элементарных пазов S= ZЭ, то результирующий шаг волновой обмотки определяется по формуле

у=(Zэ±1)/p =(S-1)/р. (18.5)

В соответствии с рис. 18.14, а частичный шаг у2=у – у1, а шаг по коллектору ук= у.

Рис. 18.15. Последовательность соединения проводников (а) и схема-раз­вертка (б) простой петлевой обмотки с ZЭ = S=K=21 и 2р = 4

Построим схему-развертку волновой обмотки при Zэ=21 и 2р=4. этом случае получим следующие шаги обмотки: у1 =5; у=ук=10; у2 = 5. Последовательность соединения проводников такой обмотки показана на рис. 18.15, а, а ее схема-развертка — на рис. 18.15, б. Расстановка щеток на коллекторе производится так же, как и в петлевых обмотках: щетки должны соприкасаться с пластинами, которым подсоединяются секции, расположенные на нейтрали или вблизи нее.

Рис. 18.13. Схема образования параллельных ветвей простой волновой обмотки, показанной на рис. 18.15, б

По схеме-развертке простой волновой обмотки можно построить схему соединения ее параллельных ветвей (рис. 18.16). Из рисунка видно, что по отношению к выводам машины такая обмотка имеет всего две параллельные ветви, т. е. 2а = 2.

Характерной особенностью волновых обмоток является независимость числа их параллельных ветвей от числа полюсов машины: при любом числе полюсов число параллельных ветвей волновой обмотки равно двум. На примере рассматриваемой обмотки можно сказать, что в одну параллельную ветвь волновой обмотки включаются все секции, начала которых располагаются на полюсных делениях одной полярности, а в другую — все секции, которых располагаются на полюсных делениях противопо­ложной полярности.

Так как волновая обмотка имеет две параллельные ветви, то число щеточных болтов в машине может быть уменьшено до двух. Распределение секций по параллельным ветвям в этом случае практически сохраняется таким же, как и при полном комплекте щеток.

Сложные волновые обмотки представляют собой совокупность т простых волновых обмоток, уложенных в соседних элементар­ных пазах. Применяются они в случае необходимости увеличения числа параллельных ветвей, число которых 2а = 2т. При выполне­нии такой обмотки после обхода якоря проводник подводится не к соседнему с начальным элементарному пазу, а к пазу, от­стоящему от него на т элементарных пазов. Поскольку ZЭ = S, то для сложной волновой обмотки справедливы следующие соотно­шения:

ру=Zэ - m;

у=(Zэ - m)/p =(S-m)/р;

(18.6)

у2=у – у1;

ук= у.

Щетки в случае применения сложной волновой обмотки вы­бираются более широкими, чем для простой волновой обмотки, так как они должны перекрывать не одну, а, как минимум, т коллекторных пластин.

18.6. Условия симметрии обмоток

Под симметричной обмоткой якоря понимают такую обмотку, в которой в любой момент времени ЭДС и сопротивления ее па­раллельных ветвей будут одинаковыми. При невыполнении этого условия по обмотке и щеткам будут протекать уравнительные токи, которые увеличивают потери в якоре и могут вызвать нарушение работы щеточного контакта. Условия симметрии обмоток можно сформулировать, исходя из следующих соображений.

1. Прежде всего необходимо, чтобы в каждом реальном пазу якоря находилось одинаковое целое число секционных сторон, т. е.

S/Z=c1, (18.7)

где Z— число реальных пазов якоря; c1 — целое число.

2. Машину с обмоткой якоря, имеющей 2а параллельных вет­вей, можно представить состоящей из а включенных параллельно элементарных машин, каждая из которых имеет две параллельные ветви. Для того чтобы эти а элементарных машин были одинако­вые, на каждую из них должно приходиться одинаковое целое число секций, коллекторных пластин и элементарных пазов. От­сюда следует, что

S/а=К/а = Zэ/а = с2, (18.8)

где с2 — целое число.

3. Для симметричного расположения а машин в магнитном поле необходимо соблюдение следующих условий:

Z/а = с3; 2р/а = с4, (18.9)

где с3 и с4 — целые числа.

Соотношения (18.7) — (18.9) представляют собой условия сим­метрии обмоток. В отдельных случаях при проектировании машин постоянного тока возможно некоторое отступление от этих усло­вий.

18.7. Уравнительные соединения

Для улучшения работы машин постоянного тока в некоторых типах обмоток якоря применяются уравнительные соединения. При этом различают уравнительные соединения первого и второго рода: первые применяются для петлевых обмоток, а вторые — для всех сложных обмоток.

Уравнительные соединения первого рода. Если значения маг­нитных потоков всех полюсов машины одинаковые, то в симмет­ричной петлевой обмотке ЭДС во всех параллельных ветвях равны и внутри обмотки не возникают уравнительные токи. Однако в действительности из-за неодинакового воздушного зазора под раз­ными полюсами, неоднородности стали магнитопровода и других отклонений магнитные потоки отдельных полюсов разные, а зна­чит, разными будут и ЭДС параллельных ветвей. Следовательно, внутри обмотки через проводники, соединяющие щетки одно­именной полярности, потекут уравнительные токи. Покажем это на примере четырехполюсной машины с петлевой обмоткой на якоре (рис. 18.17).

Рис. 18.17. Уравнительное соедине­ние первого рода в простой петле­вой обмотке четырехполюсной ма­шины

Предположим, что воздушный зазор под верхними полюсами больше, чем под нижними. Тогда магнитные потоки этих полюсов будут меньше потоков нижних полюсов из-за большего магнит­ного сопротивления. Следовательно, ЭДС параллельных ветвей Е1 и Е2 будут меньше ЭДС параллельных ветвей Е3 и Е4. При этом между щетками положительной полярности возникнет разность потенциалов, что приведет к появлению уравнительного тока Iур, замыкающегося через провод, соединяющий щетки одинаковой полярности, сами щетки и обмотку якоря.

Уравнительный ток будет вызывать дополнительные элек­трические потери в обмотке яко­ря, уменьшение КПД и повы­шение нагрева машины. Кроме того, уравнительный ток, сум­мируясь с током нагрузки в от­дельных щетках, может вызвать их искрение. Поскольку сопро­тивление обмотки якоря отно­сительно мало, уравнительный ток может достигать значитель­ных значений даже при неболь­шой разности ЭДС параллельных ветвей. Для уменьшения этих отрицательных явлений и при­меняют уравнительные соедине­ния первого рода.

Уравнительное соединение представляет собой проводник, соединяющий внутри обмотки проводники или секции, ЭДС которых теоретически должны быть одинаковыми. Таковыми являются проводники (секции), находящиеся в одинаковых условиях в магнитном отношении, т. е. в точках с равной магнитной индукцией. Эти проводники (секции) должны быть сдвинуты по отношению друг к другу на два полюсных деления или на один период поля возбуждения.

На рис. 18.17 показано одно из уравнительных соединений. Так как сопротивление такого соединения делают значительно меньше переходного сопротивления щеточного контакта, то уравнительный ток будет замыкаться по нему и обмотке, не проходя через щетки и коллектор. При этом, протекая по обмотке якоря, уравнительный ток будет стремиться ослабить вызвавшую его магнитную асимметрию.

Максимальное число уравнительных соединений первого рода равно nур max = К/p = S/p = Zэ/p, и каждое из них будет соединять р проводников (секций), имеющих теоретически равные ЭДС. Мак-симальное число уравнительных соединений выполняют обычно только в мощных высокоиспользуемых машинах. Места присоединения уравнительных соединений обычно выбираются либо на коллекторе, либо в середине лобовых частей обмоток со стороны якоря, противоположной коллектору. Расстояние между точками присоединения уравнительных соединений определяется шагом