ВОЛНОВАЯ ОБМОТКА

Цель работы: изучить конструкцию волновой обмотки электрических машин постоянного тока

 

Простая волновая обмотка

 

Простая волновая (последовательная) обмотка получается при последовательном соединении секций, находящихся под разными парами полюсов. Концы секций волновой обмотки присоединены к коллекторным пластинам, удаленным друг от друга на расстоянии шага обмотки по коллектору, как показано на рисунке 6.1.

п.о. – первый обход обмотки по якорю;

в.о.- второй обход;

п.п.- последний провод обмотки

Рисунок 6.1 - Схема построения простой волновой обмотки якоря

 

За один обход по якорю последовательно соединяют столько секций, сколько пар полюсов имеет машина. Таким образом, обойдя обмотку по окружности якоря, попадаем в коллекторную пластину, расположенную рядом (слева) с той, от которой начат обход.

Затем делается второй, третий и все последующие обходы, пока все провода не будут соединены между собой в одну замкнутую обмотку, конец которой присоединяют к первой коллекторной пластине. Такую обмотку называют левоходовой.

Если же эта пластина расположена вправо от исходной, то обмотку называют правоходовой. Для правоходовой обмотки требуется больший расход обмоточного провода. Характерным свойством простой волновой обмотки является то, что число ее параллельных ветвей не зависит от числа полюсов и всегда равно двум: .

Результирующий шагу у волновой обмотки равен сумме частичных шагов , и , то есть .

Секции каждой параллельной ветви равномерно распределены под всеми полюсами машины. В такой обмотке можно было бы ограничиться применением только двух щеток. Однако в этом случае нарушилась бы симметрия обмотки, так как число секций в параллельных ветвях стало бы различным. Поэтому в машине обычно устанавливают столько щеток, сколько основных полюсов.

Это позволяет уменьшить величину тока, приходящегося на каждую щетку. Однако в некоторых случаях устанавливают только две щетки с тем, чтобы сделать доступной для осмотра и смены щеток не всю окружность коллектора, а только ее часть.

В простой волновой обмотке шаг по коллектору должен быть обязательно равен целому числу. Если это условие не выполняется, то уменьшают число элементарных пазов путем неприсоединения одной секции к коллектору. Такую секцию называют "мертвой" секцией. Развернутая схема волновой обмотки с "мертвой" секцией изображена на рисунке 6.2.

Рисунок 6.2 - Развернутая схема волновой обмотки с «мертвой» секцией

 

Однако наличие несимметрии обмотки вызывает некоторые осложнения в условиях коммутации в зонах "мертвой" секции, поэтому в мощных машинах с напряженными условиями коммутации рекомендуется

избегать применения волновых обмоток с "мертвой" секцией.

На рисунке 6.3 изображена радиальная схема простой волновой обмотки по данным: .

 

Рисунок 6.3 - Радиальная схема простой обмотки:

 

При выполнении обмотки мы соединяем между собой: коллекторную пластину 1' начало секции 1 в пазу 1, конец ее в пазу 1+3 = 4 и коллекторную пластину /' + 7'= 8', отсюда идем к началу секции 8 в пазу 8, к концу ее в пазу //, к коллекторной пластине 8' + 7' = 15' и т. д.

Схема той же обмотки в развернутом виде изображена на рисунке 6.4.

Рисунок 6.4 - Развернутая схема обмотки:

 

Секции, замкнутые накоротко щетками, показаны жирными линиями. Таким образом, имеем только две параллельные ветви, хотя число полюсов 2р = 4.

Схема токопрохождения внутри обмотки или схема ветвей показана на рисунке 5. Поскольку каждая из ветвей волновой обмотки проходит под всеми

 

Рисунок 6.5 - Параллельные ветви волновой обмотки

 

полюсами, то неравенство потоков полюсов не вызывает неравенства

э. д. с. и токов параллельных ветвей. Поэтому простая волновая обмотка не нуждается в уравнительных соединениях.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

 

ПЕТЛЕВАЯ ОБМОТКА

Цель работы: изучить конструкцию петлевой обмотки электрических машин постоянного тока

 

Простая петлевая обмотка

 

Простой петлевой (параллельной) обмоткой якоря называют обмотку, у которой концы каждой секции присоединены к двум рядом лежащим коллекторным пластинам (рисунок 7.1).

 

H- начало провода; K- конец провода; п.п.- последний провод

Рисунок 7.1 - Развернутая схема простой петлевой обмотки якоря

 

Если при выполнении обмотки конец секции присоединяют к коллекторной пластине, находящейся справа от исходной, то такую обмотку называют правоходовой или неперекрещивающейся.

При смещении в левую сторону обмотку называют левоходовой или перекрещивающейся. Левоходовые обмотки не находят практического применения, так как увеличивают расход обмоточного провода.

На рисунке 7.1 показаны шаги обмотки которые будем определять числом элементарных пазов. Первый частичный шаг

определяет расстояние по поверхности якоря между начальной "Н" и конечной "К" сторонами секции: - величина, меньшая единицы, вычитая или суммируя которую, можно получить шаг , выраженный целым числом.

Второй частичный шаг обмотки определяет расстояние между конечной стороной данной секции и начальной стороной последующей.

Результирующий шаг обмотки определяет расстояние между начальными сторонами данной и последующей за ней секции.

Шаг по коллектору определяет расстояние в коллекторных делениях между серединами коллекторных пластин, к которым присоединены концы данной секции. Шаг по коллектору всегда равен результирующему шагу обмотки: = у. В простой петлевой обмотке шаг по коллектору = 1.

 

Пример. На рисунке 7.2 изображена радиальная схема простой петлевой обмотки со следующими данными: .

Рисунок 7.2 - Радиальная схема простой петлевой обмотки:

 

Тогда = 16/4 - 0 = 4; = 1;

= 4-1; =3. Для облегчения вычерчивания схемы удобно обозначить одинаковыми цифрами секционные стороны, пазы и коллекторные пластины, с которыми они соединены. Выполнение схемы начинают с соединения секционных сторон, образующих секции в соответствии с первым шагом.

Таким образом, необходимо соединить верхнюю сторону 1 секции с нижней стороной, расположенной на расстоянии четырех промежутков от стороны I, т. е. с нижней стороной 5.

Начало первой секции (сторону I) соединяют с коллекторной пластиной /'а конец первой секции (нижнюю сторону 5) - с коллекторной пластиной 2'. с которой соединяют также начало 2 второй секции.

Вторая секция образована сторонами 2 и 6, и конец ее присоединяют к пластине 3' и т. д.

При вращении якоря по часовой стрелке направление э.д.с. (согласно правилу правой руки) в проводниках показано на рис. 2 точками и крестиками.

При обходе обмотки по схеме можно установить, что для рассматриваемого положения якоря, коллекторные пластины 5', 9' и 13' являются узловыми точками, к которым присоединены секции, имеющие встречное направление э.д.с. Эти коллекторные пластины делят всю обмотку на участки с одинаковым направлением э.д.с. в секциях. Если на эти пластины установить щетки, то щетки AI и А2, с которых поступает ток во внешнюю сеть, считаются положительными, а щетки ВI и В2 - отрицательными. Щетки одинаковой полярности соединяют между собой параллельно.

Для характеристики обмотки необходимо знать, как расположены в магнитном поле ее секции и как они соединены между собой. На схеме обмотки цилиндрическая поверхность якоря, разрезанная вдоль оси машины в любом месте, из соображений удобства разворачивается на плоскость и представляется прямоугольником. На этом прямоугольнике пазы якоря условно изображаются отрезками прямых. Развернутая схема рассмотренной выше обмотки изображена на рисунке 7.3.

 

Рисунок 7.3 - Развернутая схема одноходовой петлевой обмотки

 

От каждой щетки отходят в противоположные стороны две параллельные ветви обмотки и заканчиваются на соседних щетках. Секции параллельной ветви размещаются под парой расположенных рядом полюсов, и так как обмотка двухслойная, то на каждую пару полюсов приходятся две параллельные ветви. Таким образом, общее количество параллельных ветвей обмотки .

Для большей наглядности параллельные ветви рассмотренной обмотки показаны на рисунке 7.4. В данном примере четырехполюсной машины

Рисунок 7.4 - Параллельные ветви одноходовой петлевой обмотки

 

обмотка образует четыре параллельные ветви, в каждой из которых протекает ток одной параллельной ветви , а во внешней цепи -

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы: изучить конструкции генераторов постоянного тока

 

1. Общие сведения о генераторах постоянного тока

 

Область применения генераторов постоянного тока достаточно широка (предприятия химической и металлургической промышленности, транспорт и др.) и соответственно многообразны предъявляемые к ним требования в отношении мощностей, напряжений, частот вращения, надежности работы, срока службы и др.

Чаще всего постоянный ток получают, преобразуя переменный с помощью преобразователей, в качестве которых широко применяют установки двигатель-генератор.

Первичными источниками энергии генераторы постоянного тока работают, главным образом, в изолированных установках (как возбудители синхронных машин), на автомашинах, самолетах, при сварке дугой, для освещения поездов, на кораблях и др.

Генераторы, в зависимости от способа создания магнитного поля,

делят:

- генераторы независимого возбуждения с электромагнитным возбуждением (обмотка возбуждения получает питание от независимого источника постоянного тока);

- с самовозбуждением (ток для обмотки возбуждения поступает от якоря генератора);

- с возбуждением постоянными магнитами (применяют лишь в машинах очень малой мощности).

При самовозбуждении возможны три варианта соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря:

- параллельное(шунтовое);

- последовательное (сериесное);

- смешанное(компаундное).

В соответствии с этим различают генераторы параллельного, последовательного и смешанного возбуждения (две обмотки возбуждения: одна включена параллельно, а другая - последовательно).

1. Характеристики генератора постоянного тока. Основные:

1) нагрузочная при токе якоря . В частном случае, когда ток якоря , нагрузочная характеристика переходит в характеристику холостого хода;

2) внешняя при

3) регулировочная при. В частном случае, когда , регулировочная характеристика переходит в характеристику короткого замыкания.

Режим работы электрической машины при условиях, для которых она предназначена, называют номинальным режимом работы.

Номинальный режим работыхарактеризуется величинами, обозначенными на заводском щитке машины как номинальные: напряжение, мощность, ток, частота вращения.

Номинальной мощностьюгенератора постоянного тока называют полезную электрическую мощность машины,выраженную в ваттах или киловаттах.

Энергетический процесс и уравнение ЭДС генератора постоянного тока. В основе работы генератора лежит процесс преобразования подводимой к нему механической энергии в электрическую.

При независимом возбуждении мощность необходимая для покрытия потерь в цепи возбуждения, не входит в мощность подводимую к генератору от первичного двигателя (рисунок 8.1). При преобразовании

 

Рисунок 8.1- Энергетическая диаграмма генератора

 

энергии часть мощности тратится на покрытие механических потерь и потерь в стали , а остальная часть преобразовывается в электромагнитную мощность

Полезная мощность , отдаваемая генератором в сеть, меньше мощности , на величину потерь, , где и потери в цепи якоря (в меди) и в щеточных контактах.

 

2. Генератор независимого возбуждения

 

Независимое возбуждение применяют достаточно широко:

- в генераторах низкого (4 - 24 В) и высокого напряжений (свыше 600 В);

- в машинах большой мощности, где требуется широкое регулирование напряжения (на судах в рулевых электроприводах, в гребных электрических установках постоянного тока в качестве главных генераторов и возбудителей и в других устройствах).

Схема генератора представлена на рисунке 8.2.

Рисунок 8.2 - Схема генератора независимого возбуждения

 

На рисунке 8.3 представлены его характеристика холостого хода и нагрузочная характеристика.

 

Рисунок 8.3 - Характеристика холостого хода и нагрузочная генератора независимого возбуждения

 

Характеристику холостого хода снимают, отключив рубильником нагрузку и установив номинальную частоту вращения. Затем постепенно увеличивают от нуля ток в обмотке возбуждения.

Характеристика холостого хода представляет собой в ином масштабе характеристику намагничивания машины. Прямолинейная часть характеристики холостого хода соответствует ненасыщенному состоянию магнитной системы. При значительных токах возбуждения сталь машины насыщается, и характеристика приобретает криволинейный характер. Точка, соответствующая номинальному напряжению, обычно лежит на "колене" кривой, так как работа машины на прямолинейном участке характеристики приводит к значительным колебаниям напряжения, а работа в области насыщения требует большого тока возбуждения и ограничивает пределы регулировки напряжения.

Нагрузочная характеристика. Для снятия нагрузочной характеристики возбуждают генератор и устанавливают требуемый ток нагрузки. Затем постепенно уменьшают ток возбуждения, но при этом также уменьшают величину сопротивления нагрузки таким образом, чтобы при каждом отсчете параметров ток нагрузки оставался неизменным.

При нагрузке напряжение генератора снижается вследствие падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия реакции якоря . Поэтому нагрузочная характеристика проходит ниже характеристики х.х., причем тем ниже, чем больше нагрузочный ток.

Таким образом, если бы в машине не было размагничивающего действия реакции якоря, то в обмотке возбуждения достаточно было бы установить ток. при котором генератор имел бы номинальное напряжение при номинальной нагрузке.

Внешняя характеристика. Для снятия внешней характеристики подбирают нагрузку генератора таким образом, чтобы ток был равен номинальному току при номинальном напряжении. Сопротивление цепи возбуждения, а, следовательно, и ток возбуждения в течение опыта остаются постоянными. Затем постепенно уменьшая нагрузку до нуля, снимают характеристику.

Внешняя характеристика генератора приведена на рисунке 8.4.

 

 

Рисунок 8.4 - Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения

 

Снижение напряжения генератора при нагрузке происходит по двум причинам: вследствие падения напряжения в сопротивлении цепи якоря и из-за размагничивающего действия реакции якоря .

Степень наклона внешней характеристики к оси абсцисс, то есть жесткость внешней характеристики, оценивается изменением напряжения генератора при номинальной нагрузке, называемым номинальным изменением напряжения генератора.

Относительное изменение напряжения равно разности напряжения при холостом ходе и напряжения при номинальной нагрузке в долях номинального напряжения.

При коротком замыкании генератора напряжение на его зажимах падает до нуля, а ток короткого замыкания во много раз превосходит номинальный. Поэтому короткое замыкание генератора независимого возбуждения - чрезвычайно опасно.

Регулировочная характеристика. Если регулировать ток возбуждения генератора так, чтобы при увеличении тока нагрузки напряжение генератора оставалось постоянным и равным номинальному напряжению, то соответствующая кривая зависимости тока возбуждения от нагрузочного тока будет представлять собой регулировочную характеристику машины.

Для снятия регулировочной характеристики необходимо при отключенной нагрузке установить ток возбуждения генератора такой величины, чтобы его выходное напряжение было равно номинальному напряжению.

Затем включают нагрузку и постепенно увеличивают ток генератора, начиная практически с нуля. При этом выходное напряжение генератора должно все время оставаться равным номинальному значению.

Для поддержания выходного напряжения генератора неизменным, увеличивают ток возбуждения, уменьшая сопротивление регулировочного реостата.

На рисунке 8.5 представлена регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения.

Рисунок 8.5 - Регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения

 

К регулировочным характеристикам относят и так называемую характеристику короткого замыкания.

Характеристика короткого замыкания. Представляющую зависимость при и .

Для снятия этой характеристики зажимы якоря замыкаются накоротко через амперметр и при токе возбуждения вращают якорь с номинальной скоростью. В якоре индуктируется небольшая ЭДС от потока остаточного намагничивания, и в короткозамкнутой цепи якоря появляется определенный ток; затем, осторожно увеличивая ток возбуждения 1_В в таком направлении, чтобы ток -возрастал, доводят его до или .

Обычно характеристика короткого замыкания имеет вид почти прямой линии. Так как , то . Так как при коротком замыкании машина не насыщена, то тождественна току возбуждения; с другой стороны, пренебрегая переменным сопротивлением контакта щеток, можно считать, что . Тогда .

На рисунке 8.6 показано построение характеристического треугольника по характеристикам холостого хода и короткого замыкания.

Рисунок 8.6 - Построение характеристического треугольника по характеристикам холостого хода и короткого замыкания

 

Задаемся значением тока короткого замыкания генератора, например, и определяем, необходимый для его создания, ток возбуждения по характеристике короткого замыкания. Затем для выбранного значения тока определяем ЭДС генератора, , развиваемую в режиме короткого замыкания , и по характеристике холостого хода определяем ток возбуждения, необходимый для получения этого значения ЭДС в режиме холостого хода.

Отрезок является первой стороной характеристического треугольника и равен падению напряжения в цепи якоря. Вторую сторону треугольника, в масштабе тока возбуждения, представляет отрезок , поскольку ток возбуждения, соответствующий точке , характеризует режим работы при отсутствии реакции якоря.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Где применяются генераторы постоянного тока?

2. Как классифицируют генераторы, в зависимости от способа создания магнитного поля, и в чем их отличие?

3. Назовите основные характеристики генераторов постоянного тока и как их получают?

4. Область применения генераторов независимого возбуждения и как определяется их коэффициент полезного действия?

5. Чем характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения отличается от его нагрузочной характеристики?

6. Как определяется жесткость внешней характеристики генератора независимого возбуждения и что означает это понятие?

7. Чем регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения отличается от его характеристики короткого замыкания?

8. Что называется характеристическим треугольником генератора независимого возбуждения и как его определить?

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

 

Цель работы: изучить конструкции генераторов постоянного тока