Для чего устанавливают дополнительные полюсы

Назначение дополнительных полюсов

Генератор постоянного тока с независимым возбуждением

Схема включенияи_вR I R e + R pe Обмотка возбуждения генератора данного типа получает питание от независимого источника постоянного напряжения. Величина тока возбуждения в этом случае определяется выражением U — напряжение на зажимах цепи возбуждения; в R — электрическое сопротивление обмотки возбуждения (ОВ); R — электрическое сопротивление регулировочного реостата в цепи обмотки возбуждения; У генератора с независимым возбуждением как видно из его электрической схемы ток якоря равен току нагрузки Основные характеристики ГПТ

• 1) характеристика холостого хода;
• 2) внешняя характеристика;
• 3) регулировочная характеристика.

— 1) характеристика холостого хода; представляет зависимость ЭДС, создаваемой обмоткой якоря от тока возбуждения при постоянной частоте вращения якоря и отсутствии тока якоря. E = f (l_e ) при n = constIа = 0EЕ₀ — Рабочая ЭДС; При достижении током возбуждения определенных значений рост значений ЭДС существенно замедляется из-за насыщения материала магнитной цепи. Величина ЭДС, соответствующая нулевому току возбуждения называется остаточной ЭДС и обозначается Е_{о ст} . Остаточная ЭДС обусловлена явлением гистерезиса характерного для ферромагнитного материала магнитной цепи машины. и = f(l) при n = const— зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки при постоянстве скорости вращения якоря и постоянстве тока возбуждения. ВЫВОД: Из вида внешней характеристики видно, что с увеличением тока нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается. Уменьшение напряжения обусловлено: -увеличением падения напряжения на внутреннем сопротивлении генератора; — размагничивающим действием реакции якоря. U = E — IаRo = С_епФ — IаR₀ AU Н = Eо —Uн U н 100% Для оценки уменьшения напряжения на зажимах генератора в номинальном режиме работы используют равенство Для ГПТ независимым возбуждением AU_H =(3 -10)°% При стремлении сопротивления нагрузки к нулю ток в цепи нагрузки начинает резко возрастать, и генератор переходит в режим короткого замыкания. При этом Зависимость тока возбуждения генератора от тока нагрузки при постоянстве напряжения на зажимах генератора Данная характеристика показывает, как надо изменять ток возбуждения в генераторе для того, чтобы поддерживать неизменным напряжение на его зажимах. ДОСТОИНСТВА : ГПТ независимого возбуждения

• возможность в широких пределах изменять напряжение на зажимах генератора (от нуля до максимального значения);
• относительно небольшое снижение напряжения в номинальном режиме .

НЕДОСТАТКИ -для обмотки возбуждения требуется независимый источник постоянного напряжения.

2.35.3 Дополнительные полюса

Дополнительные полюса двигателя предназначены для компенсации реакции якоря в зоне между главными полюсами с целью исключения искажения магнитного поля в воздушном зазоре, тем самым способствуя улучшению коммутации во всех режимах работы двигателя. Общий вид представлен на рис.109.

При холостом ходе (рис.110,а) магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения, равномерно распределяется вдоль поверхности якоря.

При нагрузке двигателя, проходящий по обмотке якоря ток, создает свое собственное магнитное поле, которое называется магнитным полем якоря (рис. 110,б). Поле якоря искажает основное магнитное поле двигателя. Воздействие магнитного поля якоря на основное магнитное поле называется реакцией якоря (рис.110,в).

В результате реакции якоря физическая нейтраль (2) двигателя поворачивается на некоторый угол относительно геометрической нейтрали (1). Поворот физической нейтрали относительно геометрической ухудшает работу двигателя, вызывая искрение щеток.

Другими вредными последствиями реакции якоря является сильное сгущение силовых магнитных линий под сбегающими краями полюсов у двигателя и набегающими у генератора и значительное возрастание в этих местах индукции магнитного поля.

При прохождении секциями якоря тех мест под полюсами, где индукция усилена реакцией якоря, в них будет индуктироваться Э.Д.С. большей величины, что вызывает повышение напряжения между коллекторными пластинами, к которым присоединены эти секции.

Дополнительные полюса размещают между главными полюсами на геометрической нейтрали двигателя, т.е. там где расположены коммутируемые секции, замыкаемые накоротко щетками. Ширина полюсов выбирается небольшой, чтобы магнитное поле их действовало только в зоне, где происходит коммутация. Магнитное поле дополнительных полюсов компенсирует действие поля якоря в зоне коммутации.

Рис.110 Направление магнитного потока обмоток возбуждения (а), обмотки якоря (б), изменение потока вследствие реакции якоря (в)

Дополнительный полюс состоит из литого сердечника (3) и катушки (2).

Катушки дополнительных полюсов — однослойные из шинной меди на ребро. Число витков — 15. Изоляция аналогична изоляции главных полюсов. Дополнительные полюса крепятся к остову болтами.

2.35.4 Якорь

Якорь предназначен для создания крутящего момента двигателя и тормозного момента генератора. Якорь представлен на рис.111.

Рис.111 Якорь ТЭД ДК-117ДМ

Якорь состоит из вала (1), коллектора (2), обмотки (3), вентилятора (4), сердечника (5).

Вал двигателя изготавливают из стали 45.

Сердечник (5) предназначен для укладки в него обмотки якоря (3) и является частью магнитной цепи двигателя. Сердечник собирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов листы изолируют один от другого тонким слоем лака. Листы собирают в общий пакет, который насаживают на вал якоря на шпонке. В каждом листе имеются: отверстие со шпоночной канавкой для насадки на вал якоря; вентиляционные отверстия и пазы для укладки обмотки якоря. Верхняя часть пазов имеет форму «ласточкиного хвоста» для клинового крепления обмотки.

Обмотка (3) состоит из отдельных секций, укладываемых в два слоя в пазы сердечника. Число секций равно числу пазов в сердечнике. Одна сторона каждой секции располагается в верхнем слое, другая в нижнем слое другого паза. Секции собирают в пакеты из пяти штук, формируют соответствующим образом для последующей укладки в пазы сердечника и изолируют. Конец каждой секции вставляется в паз коллекторной пластины и приваривается.

В двигателе применяется петлевая обмотка. Чтобы обмотка не выпадала из пазов, в пазовою часть забивают текстолитовые клинья, а переднюю и заднюю части обмотки укрепляют проволочными бандажами, которые после намотки пропаивают оловом.

Коллектор (2) предназначен для равномерного распределения тока по секциям якорной обмотки. Коллектор состоит из: набора коллекторных пластин толщиной 5-8 мм, изготовленных из твердотянутой меди клинообразного сечения, втулки коллектора, нажимного конуса, гайки коллектора, изоляционного цилиндра, изоляционных манжет, шнура, груза балансировочного.

Коллекторные пластины изолируются одна от другой миканитовыми прокладками. Нижняя часть пластин имеет форму «ласточкина хвоста», при помощи которого пластины зажимают между втулками коллектора и нажимным конусом. Крепление пластин осуществляют коллекторной гайкой, которую навертывают на резьбовую часть втулки коллектора. Верхняя часть пластин имеет пазы для укладки и последующей приварки секций якорной обмотки.

В собранном виде коллектор напрессовывается на вал якоря с усилием 20т. Нормально поверхность коллектора должна быть гладкой. Равномерное потемнение коллектора в процессе эксплуатации без следов подгара свидетельствует о наличии устойчивого слоя политуры и хорошей коммутации. По условиям нормальной коммутации максимальное межламельное напряжение между коллекторными пластинами не должно быть больше 30В, предельно допустимое максимальное межламельное напряжение для данного класса машин составляет 37В. При напряжении больше 37В создается недопустимо большое искрение под щетками, что приводит к возникновению кругового огня. Круговой огонь представляет собой короткое замыкание коллекторных пластин якоря двигателя с образованием электрической дуги на поверхности коллектора и приводит к выходу из строя ТЭД.

Причины искрения на щетках подразделяются на механические и электромагнитные. Механические причины связаны с нарушением контакта между щетками и коллектором:

— неровностью поверхности коллектора;

— не притерты щетки к коллектору;

— выступание отдельных коллекторных пластин, миканита;

— заедание щеток в щеткодержателе;

— вибрацией щеток- свободное расположение щеток в обойме;

— неравномерный натяг щеточных пружин.

Электромагнитные причины искрения на щетках связаны с характером протекания электромагнитных процессов в коммутируемых секциях (перегрузка, к.з. в сети).

Вентилятор (4) предназначен для охлаждения обмоток ТЭД, устанавливается на валу якоря со стороны привода. Общий вид вентилятора изображен на рис.112…

Вентилятор, изготавливается из алюминиевого сплава. Засасываемый воздух распределяется на два параллельных потока. Один из потоков омывает поверхность между якорем и главными полюсами, другой проходит под коллектором и по вентиляционным каналам внутри сердечника якоря. Нагретый воздух выбрасывается через специальные отверстия в остове со стороны противоположной коллектору.

Рис.112 Общий вид вентилятора (а) и подшипникового щита (б)

Мощность, которую можно получить от электрической машины, ограничена предельной температурой, которую может выдержать изоляция обмоток. Поэтому, при охлаждении значительно снижается нагрев обмоток, что позволяет повысить мощность двигателя.

Добавочные полюса

Назначение. Добавочные полюса применяют для создания магнитного потока в зоне коммутации. Под влиянием этого потока в коммутирующих витках наводится э д.с, направленная против реактивной э.д.с. Включение обмоток добавочных полюсов последовательно с обмоткой якоря способствует автоматической компенсации реактивной э.д.с. при изменении режимов работы двигателя. Число добавочных полюсов всегда равно числу главных. В тяговом режиме полярность добавочных полюсов должна быть обратна полярности соседних (по направлению вращения якоря) главных полюсов, а в генераторном — той же самой. Чтобы магнитный поток возрастал пропорционально току якоря, необходимо иметь слабое насыщение добавочных полюсов Добавочный полюс состоит из сердечника и катушки.

Сердечники. Они имеют более простую форму, чем сердечники главных полюсов. У тяговых двигателей отечественных электровозов постоянного тока сердечники добавочных полюсов сделаны сплошными из стали в виде отливок или обработанных поковок, так как индукция в них невелика и вследствие этого потери

от пульсации магнитного потока ничтожны. В машинах с тяжелыми условиями коммутации, а также в двигателях пульсирующего тока для уменьшения вихревых токов сердечники выполняют шихтованными (отечественные двигатели НБ-414Б, НБ-412М, НБ-412К, НБ-418К, РТ-51Д; двигатели 4336 и Т01368 соответственно французских электровозов ВВ9004 и ВВ16000). Сердечники добавочных полюсов в основном шихтуют перпендикулярно, а реже — параллельно оси якоря (двигатели РТ-51Д и др.). В последнем случае листы сердечника выполняют роль экранов для пульсирующей составляющей потоков рассеяния. В результате этого снижаются вихревые токи в сердечнике, уменьшается отставание пульсирующей составляющей потока полюса и наводимой им коммутирующей э.д.с. от тока в цепи обмотки якоря, т. е. лучше компенсируется реактивная э.д.с.

Длину сердечника полюса для уменьшения индукции в его теле принимают обычно максимальной возможной. Практически она ограничивается осевым размером полюсных катушек. Так как ширина меди катушек добавочных полюсов обычно меньше, чем главных полюсов, то сердечник добавочного полюса выполняют на 2—6 см длиннее сердечника якоря. Ширину сердечника выбирают такой, чтобы индукция Вдп при номинальном режиме в полюсе была не выше 0,6—0,7 Тл. У шихтованных полюсов из стали Э310 индукция выше на 15%.

Чтобы добавочные полюса работали на прямолинейной части кривой намагничивания, необходимо иметь большой воздушный зазор бдп между их сердечниками и якорем. Однако увеличение воздушного зазора у полюса, имеющего высокий сердечник, вызывает повышение потока рассеяния. При этом значительная часть магнитного потока замыкается не через сердечник якоря, а через сердечник главного полюса и остов (рис. 83, а).

При разделении зазора добавочного полюса на две части и установке между сердечником и остовом диамагнитной прокладки (латунной, алюминиевой или текстолитовой) рассеяние магнитного потока уменьшается (рис. 83,6), так как наконечник сердечника приближается к якорю и увеличивается магнитное сопро-

тивлеиие в цепи потоков рассеяния Фв. Это снижает степень насыщения цепи добавочных полюсов, т. е. делает их магнитную характеристику более прямолинейной, а следовательно, в еще более широком диапазоне изменения нагрузок коммутирующая э.д.с. компенсирует реактивную. В результате значительно улучшается коммутация двигателя (см. § 36). Однако из-за введения второго зазора бд,требуется увеличить м.д.с. дополнительных полюсов. Некоторое увеличение массы меди катушек добавочных полюсов окупается повышением коммутационной устойчивости тягового двигателя, особенно при больших нагрузках в режиме ослабленного возбуждения. Поэтому почти у всех тяговых двигателей между сердечником добавочного полюса и остовом устанавливают диамагнитные прокладки 6 (рис. 84).

Воздушный зазор между якорем и добавочным полюсом принимают обычно равным (0,5 1) 6П, где Ь„ — ширина паза. Большие значения зазора соответствуют меньшим зубцовым делениям и отсутствию зазора между добавочным полюсом и остовом Для снижения насыщения магнитной цепи добавочного полюса со стороны остова предусматривают зазор в пределах от 1 мм до размера, равного зазору между сердечниками главного полюса и якоря. Если магнит-

Рис. 83 Схемы потоков рассеяния добавочных полюсов при отсутствии (а) и наличии (б) диамагнитной прокладки

ная система остова шихтованная, то зазор между остовом и добавочным полюсом не предусматривают, когда это ие требуется для спрямления магнитной характеристики.

Расчетные значения индукции под полюсом можно получить, лишь выдержи-

Рис 84 Крепление добавочных полюсов с шихтованным сердечником к остову двигателей НБ 418К(а) и НБ-514 (б) / — остов, 2 — болт из немагнитной стали; 3 — шихтованный сердечник (тяговые двигатели НБ 418К и др ), 4 — стержень, 5 — заклепка, 6 — текстолитовая (илн латунная) прокладка, 7 — обмотка полюса

Рис. 85. Крепление добавочного полюса со сплошным сердечником к остову / — остов, 2 — болт из немагнитной стали, 3 — литой или кованый сердечник, 4 — текстолитовая или латуииая прокладка, 5 — обмотка, 6 — пружинный фланец

вая с высокой точностью расчетные воздушные зазоры. Чтобы не перекрывать зазор между остовом и сердечником ферромагнитными элементами, болты (или шпильки) добавочных полюсов иногда выполняют из немагнитных материалов.

Катушки добавочных полюсов. Их наматывают из меди прямоугольного сечения на специальном станке по шаблону, обычно на ребро (рис. 84 и 85). При намотке катушек плашмя шины меди, располагаясь параллельно боковым стенкам сердечника, частично выполняют роль экранов для пульсирующей составляющей потока рассеяния. Однако такие катушки не получили практического применения из-за конструктивных затруднений по вписыванию в габарит двигателя. Витки располагают вдоль всего сердечника или вблизи полюсных наконечников; изоляция катушек не отличается от изоляции катушек главных полюсов. Число витков добавочного полюса шдп = РЛ/1Ч, где ■г7, — м.д.с. добавочного полюса.

Катушка добавочного полюса (за исключением катушки двигателя НБ-514), удерживается на сердечнике бронзовой рамкой или угольниками из диамагнитного материала. Чтобы не допустить ослабления плотности крепления, возникающей при усыхании стекломикалент-ной изоляции, применяют пружинный фланец, состоящий из двух половин.

Электродвигатель постоянного тока.

Хотя система своременного электроснабжения основана на применении переменного тока, тем не менее машины постоянного находят широкое использование в самых различных отраслях промышленности и в быту.

Основными частями машины постоянного тока (см. рис. 1) являются неподвижная станина, несущая электромагниты, и вращающаяся часть – якорь. Часто их называют по аналогии с машинами переменного тока статором – неподвижную часть и ротором – вращающуюся часть. Станина с электромагнитами служит для возбуждения главного магнитного поля машины, а во вращающемся якоре индуктируется э.д.с. и проходят токи, создающие в генераторе тормозящий момент, а в двигателе – вращающий момент.

Станина изготавливается из литой стали и представляет собой полый цилиндр, на внутренней стороне которого укреплены сердечники полюсов: главных и дополнительных. На сердечники главных полюсов надеты катушки, составляющие обмотку возбуждения машины. Сердечники полюсов снабжаются наконечниками, служащими для более равномерного распределения магнитной индукции вдоль окружности якоря. Дополнительные полюса имеются имеются только на более крупных машинах. Эти полюса устанавливаются на станине посредине между главными полюсами. Их обмотка соединяется последовательно с обмоткой якоря. Назначение этих полюсов – поддерживать магнитное поле работающей машины относительно постоянным независимо от нагрузки. Это нужно для безыскровой работы щеток на коллекторе.

Сердечник якоря собран из изолированных друг от друга листов электротехнической стали. Он снабжен пазами, в которые закладывается обмотка якоря, обычно состоящая из отдельных секций.

Характерной для машин постоянного тока деталью является коллектор – полый цилиндр, собранный из изолированных одна от другой и от вала машины клинообразных медных пластин. Последние определенным образом соединяются с витками обмотки якоря. На коллекторе в щеткодержателях устанавливаются неподвижные щетки, через которые обмотка якоря соединяется с внешней цепью. Щетки к коллектору прижимаются пружинами. щеткодержатели укрепляются на щеточных траверсах. Последние устанавливаются на подшипниках машины и их можно поворачивать, изменяя таким путем положение щеток по отношению к полюсам машины.

Коллектор в генераторах постоянного тока служит для выпрямления переменной э.д.с., индуктируемой во вращающейся обмотке якоря, а в двигателях постоянного тока – для получения постоянного по направлению вращающего момента. Одна и та же машина постоянного тока может работать в режимах генератора и двигателя, т.е. она обратима, как все электрические машины.

В режиме генератора машина работает тогда, когда ее вращает какой-либо первичный двигатель (паровая или гидравлическая турбина, двигатель внутреннего сгорания и т.д.), главное магнитное поле возбуждено, а обмотка якоря через щетки замкнута на нагрузку. В этой обмотке индуктируется э.д.с. и возникает ток, протекающий через якорь и нагрузку. Ток в якоре, взаимодействуя с главным магнитным полем, создает тормозящий момент, который должен преодолеть первичный двигатель. В режиме двигателя внешний источник электроэнергии посылает электрические токи в цепи якоря и возбуждения машины, а ток якоря, взаимодействуя с главным магнитным полем, образует вращающий момент. Под действием этого момента якорь вращается, а машина преобразует электрическую энергию в механическую.