Якорные обмотки электрических машин постоянного тока

 

Задание

При выполнении настоящей части расчетно-графического задания следует соблюдать следующую очередность работы:

выбрать исходные данные, определяющие обмотку якоря согласно варианту в табл.П.4;

выбрать тип обмотки:

произвести расчет шагов обмотки:

вычертить развернутую схему обмотки.

Теоретические пояснения

Обмотка якоря является важнейшим элементом машины и должна удовлетворять следующим требованиям:

обмотка должна быть рассчитана на заданные величины напряжения и тока нагрузки, соответствующие номинальной мощности;

обмотка должна иметь необходимую электрическую, механическую и термическую точность, обеспечивающую срок службы машины 15…20 лет;

конструкция обмотки должна обеспечивать удовлетворительные условия токосъема с коллектора, при которых не наблюдается разрушающего влияния искрения на пластины коллектора;

расход материала при заданных эксплуатационных показателях должен быть минимальным;

технология изготовления обмотки должна быть по возможности простой, что обуславливает снижение себестоимости всей машины.

В современных машинах наибольшее распространение получили якори с сердечниками из ферромагнитного материала, имеющими пазы на внешней поверхности. Обмотки, укладываемые в эти пазы, подразделяются на петлевые и волновые. В некоторых случаях оправдано исполнение обмотки якоря в виде сочетания обеих названных обмоток.

Основным элементом каждой обмотки является секция, которая состоит из одного или большего числа последовательно соединенных витков, присоединенных своими выводами к коллекторным пластинам. На схемах обмоток всегда принято секции обмоток изображать одинаковыми. Преимущественно распространение получили двухслойные обмотки, для которых характерно расположение одной из сторон секций в нижней части паза, а другой – в верхней.

В простейшем случае в пазу уложены две секционные стороны, и такой паз называется элементарным. При этом число пазов Z, число секций S и число коллекторных пластин K равны между собой.

Требование уменьшения пульсаций выпрямленных токов и напряжения, а также ограничения верхнего уровня напряжения между соседними коллекторными пластинами приводят к необходимости проектирования якорей в машинах постоянного тока с относительно большим числом коллекторных пластин. Вместе с тем изготовление якорей с большим числом пазов нельзя считать оправданным, так как при этом пазы получаются узкими, что приводит к уменьшению коэффициентов заполнения их обмоточным проводом. В итоге получается проигрыш в мощности. Кроме того, увеличения числа зубцов сопровождается удорожанием штамповочных работ и вызывает снижение механической прочности зубцового слоя якоря.

По изложенным соображениям обычно в каждом слое паза располагают рядом несколько (U_п=2,3,4,5,…) секционных сторон. При этом K=S=U_пZ. В данном случае в каждом реальном пазу имеется элементарных пазов, так что в каждом слое элементарного паза лежит одна секционная сторона. Очевидно, что общее число элементарных пазов Z_э=U_пZ.

При U_п>1 чаще всего секции имеют равную ширину, а иногда часть секций имеет меньшую, а часть большую ширину.

В первом случае обмотка называется равносекционной, а во втором – ступенчатой. Последняя обмотка менее технологична, ее применение оправдано в машинах с P_н> 500 кВт.

Для обеспечения наилучших условий работы машины необходимо, чтобы ЭДС всех параллельных ветвей обмотки и их сопротивления были равны между собой. В этом случае токи ветвей i_a также будут равны между собой и определяются соотношением

, (31)

где I_a – ток якоря; а - число пар параллельных ветвей якорной обмотки.

Чтобы обмотка была симметричной, на каждую пару параллельных ветвей должно приходиться целое число (Ц.Ч.) секций и коллекторных пластин:

(32)

Для симметричного расположения параллельных ветвей в магнитном поле необходимо, чтобы

Z/a=Ц.Ч. и 2p/a= Ц.Ч. (33)

Соотношения (31) – (33) являются необходимыми условиями симметрии якорных обмоток и их соблюдение при проектировании обязательно.

В некоторых частных случаях возможно мотивированное отступление от перечисляемых условий симметрии, если при этом не происходит заметного ухудшения работы проектируемой машины.

Для характеристики обмотки якоря используют понятия шагов этой обмотки, которые обычно рассчитаны в числе элементарных пазов. Первый частичный шаг y₁ определяет расстояние по поверхности якоря между начальной и конечной активными сторонами секции. Второй частичный шаг характеризует расстояние между конечной активной стороной данной секции и начальной активной стороной секции, следующей за ней по схеме якорной обмотки. Направление движения по якорю и коллектору слева направо принято считать положительным.

Расчет обмотки якоря

Исходная информация, определяющая обмотку якоря, изложена в табл.П.4 и содержит следующие сведения:

число полюсов машины 2p;

число параллельных ветвей обмотки 2а;

число пазов якоря Z;

число коллекторных пластин K.

После предварительного расчета первого частичного шага в элементарных пазовых делениях необходимо выполнить определение этого шага и в реальных пазовых делениях. В этом случае, когда первый частичный шаг в реальных пазовых делениях не оказывается целым числом, следует выполнить округление до ближайшего целого числа и затем произвести соответствующую корректировку рассчитанного шага обмотки в элементарных пазовых делениях. При таком подходе исключаются более сложные и дорогие неравносекционные обмотки.

В зависимости от типа якорной обмотки машин постоянного тока в обоснованных случаях используются уравнительные соединения /4,5/. Необходимость в таких соединениях диктуется наличием так называемых уравнительных токов. Уравнительные соединения, или уравнители, служат для того, чтобы разгрузить щетки от уравнительных токов и дать этим токам возможность замыкаться внутри самой обмотки. Уравнители соединяют внутри обмотки точки, которые имеют теоретически равные потенциалы.

На основании анализа выбранной схемы обмотки якоря необходимо определить максимально возможное число уравнительных соединений и несколько из них показать на схеме.

Развернутая схема обмотки якоря является иллюстрацией к текстовой части РПЗ. Поэтому при их выполнении следует полностью придерживаться норм оформления, изложенных выше в разделе “Общие методические указания”.

На развернутой схеме обмотки якоря в подрисуночном тексте должны быть указаны, в том числе, тип обмотки, число полюсов, число параллельных ветвей, число пазов (зубцов), число элементарных пазов в реальном пазу, первый и второй частичный шаги в элементарных пазовых делениях, результирующий шаг, шаг по коллектору.

Непосредственно на развернутой схеме должны быть обозначены полярность щеток, границы полюсных делений, полярность полюсов, контуры полюсных наконечников при коэффициенте полюсного перекрытия α_δ=0,7, направление вращения якоря (при этом надо учитывать, что изображаемые на схеме обмотки полюсы находятся перед плоскостью чертежа), направление ЭДС во всех сторонах секций обмотки. При произвольно выбранных полярности полюсов машины и направлении вращения якоря для определения направления ЭДС в сторонах секций и, следовательно, для оценки полярности щеток следует использовать образцы однотипных схем в учебных пособиях и учебниках /1,2,4,5/.

Развернутая схема должна содержать две выделенные цветом либо толщиной линии и следующие друг за другом по схеме обмотки демонстрационные секции. Расстояние между соседними пазами на схеме должно выдерживаться в пределах (10…25) мм. Линия разреза поверхности якоря должна совпадать с осью симметрии (серединой) одного из его зубцов.

 

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Теоретические пояснения

Перед изучением трансформаторов повторите из курса “Теоретические основы электротехники” раздел “Цепи переменного тока с ферромагнитными элементами”. Уясните отличия цепей постоянного тока с ферромагнитными элементами от таких же цепей переменного тока. Повторите закон Ома для магнитной цепи. Объясните физическую сущность функциональной связи между потоком и намагничивающим током в цепи переменного тока по сравнению с цепью постоянного тока. Уясните физический смысл индуктивного сопротивления.

В основу построения теории трансформатора положен принцип постоянства рабочего потока, поскольку он создает основную противо-ЭДС, уравновешивающий приложенное напряжение (ЭДС рассеяния малы). На основе этого выводится важнейшее уравнение МДС трансформатора.

Сложные электромагнитные связи между первичной и вторичной обмотками трансформатора заменяются электрической схемой замещения. Обратите внимание, что это стало возможным только после замены реального трансформатора приведенным.

С помощью схемы замещения и упрощенной векторной диаграммы легко проанализировать процессы в трансформаторе, его свойства и характеристики, их зависимость от характера нагрузки и т.д.

Следует обратить внимание на физический смысл такого параметра, как “напряжение короткого замыкания”, найти это напряжение на векторной диаграмме и в схеме замещения. Надо понимать, почему параметр “напряжение короткого замыкания” определяет рабочие характеристики, экономичность, возможность включения на параллельную работу и величину токов при аварийных коротких замыканиях. Необходимо добиться четкого понимания причин несинусоидальности тока холостого хода однофазного трансформатора, а также причин появления третьей гармоники в кривой потока в трехфазных трансформаторах на холостом ходу, причем в последних при разных группах соединений.

Изучая группы соединений трехфазных трансформаторов, полезно понять и запомнить, как изменяется группа соединений (т.е. на сколько электрических градусов сдвигается по фазе ЭДС) при определенном изменении маркировки зажимов обмоток трансформатора.

Параллельная работа трансформаторов возможна при выполнении определенных условий. Изучая эту тему, попытайтесь оценить допустимую величину отклонения от требуемых условий при включении трансформатора параллельно с другими.

Ток включения трансформатора на холостом ходу может достигать больших значений, при которых защита отключает трансформатор от сети. Ток внезапного короткого замыкания может разрушить трансформатор. Поэтому, изучая переходные процессы, необходимо сразу же находить и теоретически обосновывать способы ликвидации вредного влияния переходных токов (при конструировании трансформатора и его эксплуатации).