САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С. П. КОРОЛЕВА Авиационные I генераторы ( часть I ) УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ по дисциплине «Электрооборудование летательных аппаратов и силовых установок» САМАРА 2004 г. Шабалов П.Г., Галкин Е.Ф. Авиационные генераторы: Учебное пособие/Самара: СГАУ, 2004г. 92с. В данном учебном пособии представлена система электроснабжения базового самолета МиГ-29, рассмотрена ее общая характеристика, роль и место авиационных генераторов в системах электроснабжения летательных аппаратов. Основное внимание уделено рассмотрению вопросов теории авиационных генераторов, основных законов электротехники, объясняющих принцип действия авиационных генераторов, рассмотрены основные характеристики и процессы физических явлений, возникающие при работе авиационных генераторов. В учебном пособии также изложены конструкция основные технические данные и правила эксплуатации авиационных генераторов самолета МиГ-29. Рассмотрено на заседании цикла №2, от _23 сентября_2004г., и предназначено для студентов ВУЗов, обучающихся по военно-учетным специальностям ВВС. Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева, 2004г. ОГЛАВЛЕНИЕ В В Е Д Е Н И Е……………………………………………………………………...5 1. Общая характеристика системы электроснабжения саиолета МиГ - 29…………………………………………………………..6 ГЛАВА 1. 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ, ОБЪЯСНЯЮЩИЕ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН………………………………………..9 Закон электромагнитной индукции……………………………………………9 Закон электромагнитных сил………………………………………………….10 Закон полного тока…………………………………….………………………11 Принцип действия авиационного генератора переменного тока………………………………………….……………….….11 Принцип действия авиационных генераторов постоянного тока……………………………………………………………..14 ГЛАВА 2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА 2.1. Электродвижущая сила обмотки якоря…………………………………….17 2.2. Электромагнитный момент………………………………………………… 19 2.3. Якорные обмотки машин постоянного тока 2.3.1. Классификация обмоток………………...………………….…………….…20 2.3.2. Простая петлевая обмотка…………………………..…………………..…. 23 2.3.3. Простая волновая обмотка…………………………….....…………..……..25 2.3.4. Условия симметрии обмоток ………...……………………………….. …..28 2.3.5. Уравнительные соединения..……………………………………………….29 2.4. Магнитная цепь машины постоянного тока……………………………....31 2.5. Реакция якоря 2.5.1. Магнитодвижущаяся сила и поля электрической машины постоянного тока….………………………………………………………...34 2.5.2. Особенности реакции якоря в авиационных генераторах……………….40 2.5.3. Компенсационная обмотка…………………………………………….…..41 2.6. Коммутация тока 2.6.1. Общие сведения…………………………………………………………….42 2.6.2. Способы улучшения коммутации…………………………………………48 2.7. Щетки и их характеристики……………………………………………….52 2.8. Коммутационная реакция якоря…………………………….…………….54 2.9. Свойства и характеристики генераторов постоянного тока…..…....…...55 2.9.1. Классификация по способу возбуждения…………………...……….…… 55 2.9.2. Энергетическая диаграмма генератора…………………………………….56 2.9.3. Уравнение равновесия моментов генератора……………………………...57 2.9.4. Характеристики генераторов………………………………………………..58 ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕНЕРАТОРЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА ГСР-СТ-12/40А 3.1. Назначение…………………………………………………………….. 67 3.2. Основные технические данные………………………………………..67 3.3. Устройство………………………………………………………………67 3.4. Электрическая схема………………………………………………….. 69 3.5. Работа………………………………………………………………….. 70 3.6. Техническая эксплуатация……………..………………………………70 --------------------------------------------------------------------------------------- ВВЕДЕНИЕ Наши Военно-Воздушные силы оснащены первоклассными высокоэффективными аппаратами, позволяющими решать круг сложных боевых задач. Эти задачи постоянно усложняются и расширяются, что обуславливает необходимость постоянного совершенствования летательных аппаратов и их бортового оборудования. В свою очередь, это приводит к росту числа и мощности бортовых приёмников электроэнергии, по- вышению требований к надёжности их электроснабжения электроэнергией высокого качества. Организация электроснабжения самолётов и вертолётов зависит от многих факторов (назначения и типа летательных аппаратов, требований к надёжности электроснабжения, к качеству электроэнергии и др.) и поэтому на них применяются различные типы систем электроснабжения. Системой электроснабжения (СЭС) называют комплекс устройств, предназначенных для производства, передачи и распределения электрической энергии. К таким устройствам относят: генераторы, преобразователи рода тока, регуляторы напряжения и частоты, аппараты управления, защиты, контроля и сигнализации, аппараты включения на параллельную работу генераторов и равномерного распределения нагрузки между ними, совокупность устройств, обеспечивающих передачу электроэнергии от источников к приёмникам, аккумуляторные батареи и др. Надёжность функционирования систем электроснабжения в значительной степени влияет на безопасность полётов. Это связано в первую очередь с тем, что работа всех ответственных агрегатов, в том числе авиадвигателей и органов управления летательных аппаратов, невозможна без потребления электрической энергии. Поэтому вопросам повышения надёжности систем электроснабжения уделяется постоянное внимание. Одним из способов повышения надёжности электроснабжения приёмников является резервирование основных источников питания. В настоящее время на самолётах и вертолётах в соответствии с существующими требованиями должны предусматриваться не менее двух независимых систем (подсистем) электроснабжения. Для приёмников, без которых невозможно обеспечить безопасность полётов, предусматривается двухкратное и трёхкратное резервирование питания от основных источников, и питание от специальных аварийных (резервных) источников. На летательных аппаратах в качестве аварийных и резервных источников используют аккумуляторные батареи, а также генераторы, приводимые во вращение от вспомогательной силовой установки или от выпускаемой в воздушный поток турбины. Повышение надёжности, улучшение качества электроэнергии, массогабаритных и эксплуатационных характеристик СЭС достигалось за счёт применения бесконтактных генераторов постоянного и переменного тока, полупроводниковых устройств регулирования, защиты и управления, новых систем охлаждения, широкого дублирования и резервирования основных элементов системы и т. д. Разработка новых СЭС обусловлена растущими требованиями к увеличению ресурса авиационного оборудования, уменьшению эксплуатационных расходов и дальнейшему улучшению массогабаритных показателей. Надёжность функционирования СЭС и другого электрооборудования в значительной степени предопределяет боевую эффективность летательных аппаратов, безопасность полётов. Это обуславливает необходимость непрерывного освоения и внедрения нового оборудования, совершенствования технической эксплуатации и ремонта авиационной техники, неустанного повышения боевой подготовки и профессионального мастерства лётного и инженерно-технического состава частей, соединений и объединений Вооружённых Сил России. 1. Общая характеристика системы электроснабжения самолета МиГ - 29. Системы электроснабжения предназначены для питания электрической энергией требуемого качества комплексов бортового оборудования во всех режимах полёта и на земле. На самолёте установлены две независимые системы электроснабжения постоянного тока напряжением 27В и трёхфазного переменного тока напряжением 220/115В постоянной частоты 400Гц. Их структурная схема приведена на рис.1. Основным источником электроэнергии постоянного тока 27В на самолёте является стартер-генератор ГСР-СТ-12/40А номинальной мощностью 12 кВт в генераторном и 40кВт в стартерном режимах работы. Стартерный режим генератора на самолёте не используется. Генератор работает в комплекте с блоком регулирования и защиты БРЗ-1 и автоматом защиты и управления АЗУ-400А. В качестве аварийных источников постоянного тока используются две серебряно-цинковые аккумуляторные батареи 15СЦС-45Б, которые подключаются к шине энергоузла постоянного тока и работают параллельно с генератором. Для контроля ёмкости аккумуляторных батарей на самолёте установлен интегрирующий счётчик ампер-часов ИСА-К, измерительный шунт которого ШИС-1 включён в минусовую цепь батареи №1. В случае отказа генератора, аккумуляторные батареи обеспечивают питанием только приёмники электрической энергии, обеспечивающие безопасность полёта самолёта. Мощные приёмники электроэнергии постоянного тока при этом автоматически отключаются. Основным источником электроэнергии переменного тока постоянной частоты является интегральный привод-генератор ГП-21, объединяющий в одной конструкции бесконтактный синхронный генератор ГТ30НЖЧ12 и гидравлический привод постоянной скорости ГП-21-03. Привод-генератор работает в комплекте с блоком регулирования напряжения БРН-120Т5А, блоком трансформаторов тока БТТ-30БТ и блоком защиты и управления БЗУСП376Т. Для питания приёмника электроэнергии трёхфазного переменного тока напряжением 36В используется понижающий трансформатор Т-1,5/0,2 номинальной мощностью 1,5кВА. Однофазные приёмники электроэнергии переменного тока 115В подключаются между фазами генератора и корпусом самолёта, который используется в качестве нулевого провода. Аварийным источником переменного тока 36В и 115В является комбинированный преобразователь ПТО-1000/1500М. При нормальной работе СЭС переменного тока преобразователь работает в режиме ненагруженного резерва, т.е. постоянно включён, но не нагружен. Переключение приёмников переменного тока 36В 400Гц на питание от преобразователя в полёте осуществляется автоматически с помощью блока БЗТ-1-2с при обрыве любой фазы или снижении напряжения на вторичной обмотке трансформатора Т-1,5/0,2 ниже 27В. В случае отказа генератора преобразователь обеспечивает питанием и однофазные приёмники электроэнергии. При этом мощные приёмники переменного тока 36В и 115В отключаются. На земле при обжатых стойках шасси преобразователь принимает на себя трёхфазную и однофазную нагрузку независимо от того, работает или не работает генератор переменного тока. Механическая энергия для приводов генераторов постоянного и переменного тока отбирается от выходного вала коробки самолётных агрегатов КСА, общей для двух маршевых авиационных двигателей (изд. 88) и вспомогательной силовой установки – газотурбинного двигателя энергоузла ГТДЭ-117. При работе силовой установки в основном режиме (оба изд. 88 функционируют нормально) привод генераторов осуществляется только от правого изделия, что обеспечено конструктивно. Переход привода агрегатов, установленных на КСА, в том числе и генераторов на левое изделие производится в том случае, если частота его вращения больше частоты вращения правого изделия на 7,5%. При работе силовой установки в режиме энергоузла (изд. 88 не запущены) передача энергии к генераторам осуществляется через фрикционную муфту от вала ГТДЭ-117. при этом частота вращения выходного вала КСА соответствует 70% максимальной частоты вращения ротора высокого давления (изд. 88). Для подключения к бортовой сети самолёта аэродромных источников постоянного и переменного тока предусмотрены вилки штепсельных разъёмов ШРАП-500К для постоянного и ШРАП-400-3Ф для трёхфазного переменного тока. В качестве наземных источников электроэнергии могут использоваться наземные передвижные агрегаты АПА-5, АПА-50М, а также агрегаты типа АЭМГ-50М, АЭМГ-60/30М с силовой нейтралью. В СЭС переменного тока предусмотрен приоритет бортового источника электроэнергии. После запуска изд. 88 и включения генераторов ГСР-СТ-12/40А и ГТ30НЖЧ12 в работу, аэродромный источник электрической энергии переменного тока автоматически отключается. Кроме того, обеспечивается блокировка подключения аэродромного источника переменного тока с неправильным чередованием фаз, которая осуществляется с помощью блока чередования фаз БЧФ-208, а также блокировка включения аэродромного источника постоянного тока с неправильной полярностью. Контроль систем электроснабжения в полёте осуществляется с помощью бортовой автоматической системы «ЭКРАН», магнитного регистратора полётных данных «Тестер-У3Л», речевого информатора П-591Б, вольтметра постоянного тока В-1К, табло сигнализации ТС-5М-1 и лампы ЦСО (центральный сигнальный огонь). Для проверки систем электроснабжения на земле используется пульт контроля энергосистем ПКЭ, пульт наземного контроля защит ПНКЗ-1-3с, пульт поэлементного контроля аккумуляторных батарей ТППК и фазоуказатель Ф2-1-3 или И-517М, входящие в мобильный комплекс МК-9-12. ГСР- СТ12/ 40А Д. изд.88 К1 шина энерго узла АЗУ- 400А К2 К С вторичная шина энергоузла ШРАП- 500К БРЗ- 1 15СЦС- 45Б ГТДЭ А К3 ПТО- 1000/ 1500М 15СЦС- 45Б ШИС БЗТ- 1- 2с ИСА- К К5 БЗУСП376Т Д. изд.88 27В ГП- 21- 03 ГТ30НЖЧ12 Тр- 1,5/ 0,2 БТТ- 30БТ К4 3ф 36В 3ф 200/ 115В 400 Гц К6 3ф 115В БРН120Т5А ШРАП- 400- 3Ф БЧФ- 208 Рис. 1. Структурная схема СЭС изд.9-12 ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ, ОБЪЯСНЯЮЩИЕ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН Авиационные генераторы Генераторы постоянного и переменного тока являются основными источниками электрической энергии на летательном аппарате. Мощность генераторов, их количество и тип зависит от особенностей летательного аппарата, его назначения и условий применения. На больших летательных аппаратах, имеющих несколько маршевых двигателей и предназначенных для полётов на большие расстояния в сложных условиях, с большим объёмом установленного оборудования обычно устанавливается несколько мощных генераторов. На небольших летательных аппаратах устанавливается 1- 2 генератора одного типа или разные, если в системе требуется два рода тока – постоянный и переменный. Принцип работы авиационных генераторов, устанавливаемых на всех видах летательных аппаратов аналогичен принципу работы общепромышленных генераторов постоянного и переменного тока. Рассмотрим особенности конструкции и использования авиационных генераторов постоянного и переменного тока, а также основные законы электротехники, объясняющие принцип действия и электрические характеристики генераторов, которые необходимы для понимания процессов управления и регулирования. 1.1. Закон электромагнитной индукции Согласно закону электромагнитной индукции, в проводнике, пересекающем магнитное поле, индуктируется электродвижущая сила (э.д.с.). Она определяется по формуле е BlV , (1.1.) где е — мгновенное значение э.д.с. индукции, В; В—магнитная индукция, тл; l—длина проводника, м; V—скорость движения проводника относительно поля, м/сек. Направление индуцированной э.д.с. определяется правилом правой руки: если правую руку расположить в магнитном поле так, чтобы магнитные силовые линии были направлены в ладонь, а большой палец, отогнутый в плоскости ладони на угол 90°, показывал направление движения проводника относительно магнитного поля, то остальные пальцы, вытянутые в плоскости ладони, покажут направление индуцированной в проводнике э.д.с. (рис. 1.1.). Если концы проводника замкнуть на внешнее сопротивление, то по нему потечет ток, совпадающий по направлению с э.д.с. Общепринятым является обозначение направления тока за плоскость чертежа крестом, из-за плоскости чертежа - точкой. Закон электромагнитной индукции в формулировке Максвелла гласит: э.д.с. индукции в контуре численно равна скорости изменения магнитного потока, охватываемого этим контуром, т. е. e dФ , dt (1.2.) где е — мгновенное значение э.д.с. индукции, В; Ф — магнитный поток, вб; t — время, сек. Знак «минус» в правой части формулы отражает известное правило Ленца: ток в цепи, вызванный индуцированной э.д.с., противодействует изменению потока, вызвавшего э.д.с. 1.2. Закон электромагнитных сил По закону электромагнитных сил, на проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует электромагнитная сила Fэм BlI , (1.3.) где Fэм—электромагнитная сила, Н; В—магнитная индукция, тл; l—длина проводника, м; I—ток, А. Рис.1.1. Правило правой руки. Рис.1.2. Правило левой руки. Направление электромагнитной силы определяется правилом левой руки: если левую руку поместить в магнитном поле так, чтобы магнитные силовые линии были направлены в ладонь, а вытянутые в плоскости ладони четыре пальца расположить по направлению тока, то большой палец, отогнутый в плоскости ладони на угол 90°, покажет направление действия силы (рис.1.2.). 1.3. Закон полного тока Согласно закону полного тока, при обходе магнитной цепи по замкнутому кругу сумма произведений из напряженности магнитного поля Нi и длины участка магнитной цепи li равна магнитодвижущей силе (м.д.с.) F IW всей магнитной цепи, т. е. H l IW . i (1.4.) При этом сумма токов должна быть алгебраической (с учетом направления токов). 1.4. Принцип действия авиационного генератора переменного тока Электрические генераторы преобразуют механическую энергию вращения в электрическую. Принцип действия электрических генераторов основан на использовании закона электромагнитной индукции. Согласно этому закону, в проводнике, пересекающем магнитное поле, наводится э.д.с. Е, мгновенное значение которой пропорционально магнитной индукции В, активной длине проводника L и скорости пересечения проводником магнитных силовых линий V: Е=ВlV. Направление э.д.с. в проводнике определяется по правилу правой руки. Это правило гласит: если расположить правую руку так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь, а отогнутый большой палец показывал направление движения проводника, то вытянутые пальцы покажут направление э.д.с. На рис. 1.3.а. показана принципиальная схема генератора переменного тока. Вращающаяся обмотка 3, в которой генерируется э.д.с., представлена одним витком, состоящим из двух проводников: аb и cd . Концы проводников b и d соединены вместе; другие ( а и с ) подключены к кольцам 4, изолированным друг от друга и вращающимся вместе с обмоткой. Магнитные полюса 2, создающие магнитный поток, и щетки 1, с помощью которых обмотка соединяется с цепью нагрузки R , неподвижны. При вращении проводники витка пересекают магнитные силовые линии поля и в них наводится э.д.с. Если вращение происходит по часовой стрелке, то в проводнике аb э.д.с. направлена от точки а к точке b , а в проводнике cd - от точки d к точке с, т.е. наводимые в этих проводниках э.д.с. складываются. Суммарная э.д.с. витка в любой момент времени равна удвоенной величине э.д.с. одного проводника. Максимальное значение э.д.с. в витке будет тогда, когда проводники будут находиться под серединой полюса. Когда плоскость витка займет положение, перпендикулярное магнитным силовым линиям, провода не будут пересекать эти линии и э.д.с., наводящаяся в них, станет равной нулю. Когда проводник ав переместится под южный полюс, а проводник cd - под северный, направления э.д.с. в них изменятся. Таким образом, э.д.с. в витках изменяется не только по величине, но и по направлению. Если индукция под полюсами В=const, то э.д.с. будет изменяться по закону синуса, как показано на рис. 1.3.б. При подключении к обмотке цепи нагрузки R такие же колебания будет иметь и ток I нагрузки. Рис.1.3. Время, в течение которого э.д.с. (ток) совершает одно полное колебание, называется периодом ( Т). Число таких колебания в одну секунду называется частотой тока ( f). Частота измеряется в герцах (Гц). Она равна: f 1 pn , T 60 где p - число пар полюсов; n - частота вращения генератора, об/мин. Генераторы, у которых частота переменного тока пропорциональна частоте вращения, называются синхронными. На летательных аппаратах чаще всего применяются трехфазные генераторы, имеющие три обмотки, в которых наводятся э.д.с. одинаковой частоты, сдвинутые относительно друг друга по фазе на 120°. Обмотка машины, в которой индуцируется э.д.с., называется якорем. - Рис.1.4. Принципиальная схема размещения обмоток трехфазного генератора показана на рис. 1.4.а. Цифрами 1,2, и 3 обозначены обмотки якоря генератора, в которых индуктируется э.д.с., а цифрой 4 - обмотка возбуждения, питающаяся через кольца 5 от внешнего источника. Обмотки якоря генератора соединяются между собой или в звезду (ряс. 1.4.б.), когда все начала (концы) обмоток соединяются в одну точку, или в треугольник (рис.1.4.в.), когда начало обмотки каждой фазы соединяется с концом обмотки следующей фазы. Общая точка в соединении обмоток звездой называется нулевой точкой. Чаще всего нулевая точка соединяется с корпусом летательного аппарата. Напряжение между началом и концом обмотки называется фазным напряжением (Uф), а между концами двух любых соседних фаз - линейным напряжением ( U л ). При соединении обмоток в звезду, линейное напряжение U л 3·U ф . При соединении обмоток в треугольник фазные напряжения равны линейным. 1.5. Принцип действия авиационных генераторов постоянного тока В практике под постоянным током понимают такой ток, направление которого не меняется. Для получения постоянного тока необходимо, чтобы одна из щеток все время касалась тех проводников, которые перемещаются под северным полюсом, а другая - тех, которые перемещаются под южным. На рис. 1.5.а). представлена принципиальная схема работы генератора постоянного тока. Вращающаяся обмотка 3 якоря, в которой генерируется э.д.с., представлена одним витком, состоящим из двух проводников: ab и cd. Концы проводников b и d соединены вместе, другие (а и с) подключены к полукольцам 4, изолированным друг от друга и вращающимся вместе с обмоткой. Магнитные полюса 2 и щетки 1 неподвижны. Наличие полуколец (коллектора), соединенных с проводами, сдвинутыми на 180°, обеспечивает неизменные направления э.д.с. и тока во внешней цепи. Рис.1.5. Величина тока будет изменяться, как показано на рис.1.5.б). Следовательно, генератор с одним вращающимся витком вырабатывает постоянный пульсирующий ток. Таким образом, рассмотренный простейший генератор обладает двумя существенными недостатками: – его напряжение мало по величине; – он имеет высокую степень пульсации. Первый недостаток можно устранить путем увеличения числа витков в катушке и усиления магнитного поля (увеличения магнитной индукции). Последнее достигается вследствие укладки катушки в пазы стального цилиндра. Этот цилиндр вместе с обмоткой (катушкой) называется якорем. Второй недостаток устраняется благодаря тому, что обмотка на якоре разделена на несколько катушек, определенным образом смещенных одна относительно другой и соединенных последовательно. При этом пульсации э.д.с. уменьшаются, а величина ее возрастает. Рис.1.6. Генератор с радиальной (а) и развернутой (б) схемами обмотки: I – корпус; II – полюс; III – обмотка возбуждения; IV – якорь; V – коллекторная пластина. На рисунке 1.6. показан простейший генератор, свободный от указанных недостатков. Его якорь представляет собой стальной сердечник, в пазы которого уложены шесть катушек (секций), соединенных последовательно в замкнутую цепь. Замкнутая обмотка якоря щетками делится на параллельные внешней цепи ветви (рис.1.6.б), внутри каждой из которых э.д.с. последовательно соединенных секций складываются (направления э.д.с. указаны стрелками). В различных схемах обмоток якоря может быть различное число параллельных ветвей, однако оно всегда выражается четным числом, а напряжение машины определяется суммой э.д.с. секций, входящих в одну параллельную ветвь. При этом ток параллельной ветви равен ia Ia , 2a (1.5.) где Iа — ток якоря машины; а — число пар параллельных ветвей. Щетки на коллекторе располагаются на равных расстояниях в местах подсоединения секций, проходящих в каждый данный момент времени через геометрическую нейтраль. Это делается не только для того, чтобы иметь наибольшую э.д.с. в параллельной ветви, но и для того, чтобы в секциях, замыкаемых щетками почти накоротко, не могли образоваться большие э.д.с. вращения и токи. Так как щетки установлены неподвижно, то при вращении якоря секции обмотки последовательно переходят из одной параллельной ветви в другую, при этом в них изменяется направление тока (происходит процесс коммутации). В зависимости от мощности и назначения электрические машины имеют различное конструктивное выполнение, но все они в соответствии с рассмотренной выше принципиальной схемой включают в себя следующие основные части: а) корпус I — магнитопровод, к которому крепятся так называемые главные полюса II с обмоткой возбуждения III, предназначенные для создания магнитного потока. Корпус обычно выполняется либо из трубы, либо сварным из толстой листовой стали, а полюса либо набираются из отдельных пластин, либо выполняются из куска стали путем фрезерования; б) якорь IV — вращающаяся часть, в которой механическая энергия преобразуется в электрическую и наоборот; в пазы пакета якоря, состоящего из отдельных изолированных листов электротехнической стали, укладывается обмотка, секции которой припаиваются или привариваются к коллекторным пластинам V. Коллекторные пластины изготавливаются из специальной меди повышенной прочности и тщательно изолируются одна от другой и от якоря. Меднографитные щетки обычно перекрывают две-три коллекторные пластины; в) щиты, служащие для установки подшипников, в которых вращается вал якоря; г) устройство для крепления машины. В машинах постоянного тока помимо главных полюсов (обычно называемых просто полюсами) часто применяют еще дополнительные полюса, которые размещаются на статоре между главными полюсами — на геометрической нейтрали, имеют узкую полюсную дугу и создают местное магнитное поле, необходимое для улучшения процесса коммутации в короткозамкнутых секциях. ГЛАВА 2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА 2.1. Электродвижущая сила обмотки якоря Для определения э.д.с. обмотки якоря примем трапецеидальное распределение магнитной индукции под полюсами машины (рис.2.1.). Часть окружности якоря, приходящаяся на один полюс, называется полюсным делением τ. Величина его определяется по формуле D 2p , (2.1.) где D — диаметр якоря; р — число пар полюсов машины. Рис. 2.1. Распределение магнитной индукции под полюсом Под серединой полюса, где воздушный зазор между полюсом и якорем равномерен, индукция имеет значение Bδ. В связи с увеличением воздушного зазора и рассеянием к краям полюса индукция уменьшается, а в междуполюсной зоне резко падает. Площадь, ограниченная кривой ABCD и основанием τ, выражает величину магнитного потока под полюсом. Среднее значение магнитной индукции под полюсом Bср 1 B dx. x 0 Согласно закону электромагнитной индукции, средние значения э.д.с., индуктируемых в каждом проводнике обмотки якоря при его вращении со скоростью Vа , равны eср Bср LVa. Электродвижущая сила машины равна э.д.с., индуктируемой в одной параллельной ветви обмотки якоря. На одну параллельную ветвь обмотки приходится N проводников (N — число проводников обмотки 2a якоря). Следовательно, э.д.с. параллельной ветви E a eср N N Bср lV a . 2a 2a Скорость вращения якоря Vа можно записать в следующем виде: Va Dn 60 (n – скорость вращения якоря в об/мин), а длину окружности якоря выразить через полюсное деление и число пар полюсов D 2 p . Тогда Va и Ea Bср l 2 pn 60 2 pn N , 60 2a где l – длина активной части проводника обмотки (той части, которая пересекается магнитным потоком); Bср l Ф - магнитный поток пары полюсов. Таким образом, в общем случае э.д.с. машины равна Еа pn N Ф. 60 a (2.2.) Как видно из формулы (2.2.), э.д.с. машины не зависит от формы кривой магнитного поля под полюсом, а зависит лишь от величины полезного магнитного потока Ф. Так как величина pn pN const ) , то окондля данной машины является постоянной (Ce 60a 60a чательную формулу э.д.с. обмотки якоря можно записать в следующем виде: Ea ce nФ. (2.3.) 2.2. Электромагнитный момент Электромагнитным моментом машины постоянного тока называется момент, обусловленный взаимодействием тока, протекающего по обмотке якоря, с магнитным потоком полюсов. На проводник а обмотки якоря (рис.2.2.) с током ia и длиной l по закону электромагнитных сил действует сила Fпр Bср lia . Направление этой силы, как указывалось выше, определяется правилом левой руки. Если проводник расположен на поверхности якоря с диаметром D, то электромагнитный момент, создаваемый одним проводником, равен М пр Fпр D D Bср lia . 2 2 Рис.2.2. Направление моментов машины постоянного тока: а – в генераторном режиме; б – в двигательном режиме. Электромагнитный момент, создаваемый всеми проводниками обмотки, расположенными в магнитном поле, будет М эм М пр N Bср li a Учитывая, что D D p 2 2 и ia la , 2a D N. 2 получим М эм p N p N Bср li a ФI a 2 a 2 a или М эм с мФI a , где c м (2.4.) pN - конструктивный коэффициент машины. 2a Из рисунка 2.2. следует, что у генератора электромагнитный момент направлен навстречу моменту приводного двигателя Мдв и потому является тормозящим (рис.2.2, а), а у двигателя электромагнитный момент является вращающим (рис.2.2, б). 2.3. Якорные обмотки машин постоянного тока 2.3.1. Классификация обмоток Электродвижущие силы, наведенные в активных сторонах секции (части обмотки, имеющей отпайки на коллектор), должны складываться. Для этого активные стороны секции располагаются под разноименными полюсами статора. Ширина секции (y1) выполняется равной или близкой к полюсному делению машины (τ), т.е. y1 , (2.5.) чтобы охватить полный поток полюса. Обмотки якоря делятся на петлевые, волновые и смешанные («лягушачьи»). Выбор типа обмотки зависит от потребного числа параллельных ветвей. При этом исходят из того, что допустимый ток в параллельной ветви обычно составляет 50…75 А в машинах длительного режима и 100…150 А - в машинах с кратковременным режимом работы. Рис.2.3. Секции петлевой (а) и волновой (б) обмоток Петлевые и волновые обмотки бывают простые и сложные. В авиационных электрических машинах постоянного тока обычно применяются простые петлевые и простые волновые обмотки. Название обмотки характеризует способ ее выполнения. Петлевая обмотка укладывается в пазы якоря таким образом, что каждый виток ее образует петлю (рис.2.3, а). Секции волновой обмотки напоминают волну (рис.2.3, б). Петлевые обмотки могут укладываться на якорь двумя способами. При первом способе начало следующей секции лежит вправо от начала первой секции (рис. 2.3, а). Такая обмотка называется правоходовой или неперекрещивающейся. При втором способе начало следующей секции лежит влево от начала первой секции. Такая обмотка называется левоходовой или перекрещивающейся. Волновая обмотка получается левоходовой неперекрещивающейся тогда, когда при обходе коллектора конец последней секции присоединяется к коллекторной пластине, лежащей левее начальной (рис. 2.3, б). Если же при обходе коллектора переходят исходную коллекторную пластину, то обмотка называется правоходовой перекрещивающейся. В самолетных электрических машинах в целях экономии меди на выполнение лобовых частей и облегчения технологии их выполнения применяются неперекрещивающиеся обмотки. Для удобства производства и размещения лобовых частей обмотка якоря обычно выполняется двухслойной (рис.2.4.). В этом случае одна сторона секции (правая) укладывается на дно паза, а вторая (левая) располагается в верхнем слое. Переход из верхнего слоя в нижний производится посередине лобовой части. Рис. 2.4.Расположение сторон секции в двухслойной обмотке. Паз с двумя секционными (активными) сторонами, лежащими одна над другой, называют элементарным (рис.2.5, а). Реальный паз якоря электрической машины может быть разделен на несколько элементарных пазов (рис.2.5, б, в). Рис.2.5. Элементарные и реальные пазы. Для выполнения обмоток необходимо знать расстояния между различными частями обмотки. Эти расстояния называются шагами обмотки. Различают (см. рис.2.3.): y1 - первый частичный шаг, равный расстоянию между начальной и конечной сторонами секции; y2 - второй частичный шаг, равный расстоянию между конечной стороной предыдущей секции и начальной стороной последующей секции; у - результирующий шаг, равный расстоянию между начальными сторонами следующих по схеме одна за другой секций; yk - шаг по коллектору, равный расстоянию между началом и концом секции по окружности коллектора. Шаги обмотки по якорю обычно измеряются числом элементарных пазов, шаг по коллектору — числом коллекторных пластин. Первый частичный шаг любой, обмотки определяется на основании соотношения (2.5.) по формуле: y1 z эл целое число, 2p (2.6.) где zэл — число элементарных пазов якоря; р — число пар полюсов. Обмотка якоря может иметь полный или диаметральный шаг (у1=τ), укороченный шаг (у1<τ) или удлиненный шаг (у1>τ). Обычно применяются обмотки с диаметральным и укороченным шагом, что позволяет уменьшить расход меди на лобовые соединения. В зависимости от типа и мощности машины секции как петлевой, так и волновой обмоток могут быть одновитковыми (рис.2.3.), двухвитковыми (рис.2.6.) и многовитковыми. Так как порядок соединения активных сторон секций не зависит от количества витков в секции, то для простоты на схемах обычно изображаются одновитковые секции. Рис. 2.6. Двухвитковые секции 2.3.2. Простая петлевая обмотка Простой петлевой обмоткой называется такая обмотка, в которой следующие по схеме одна за другой секции расположены в рядом лежащих элементарных пазах. Для неперекрещивающейся обмотки (рис.2.3, а) данными y yk 1; (2.7.) y2 y1 1. (2.8.) Для выяснения свойств простой петлевой обмотки рассмотрим пример обмотки со следующими zэл=20, р=2. На основании формул (2.6.) и (2.8.): z эл 20 0 5; 2p 4 y2 y1 1 5 1 4. y1 Наглядное представление о размещении обмотки на якоре дает радиальная схема обмотки (рис.2.7, а). Активные проводники обмотки на этом рисунке обозначены кружками. Лобовые соединения со стороны коллектора помещены внутри окружности якоря, а невидимые, лобовые соединения вынесены за окружность якоря. Активным проводникам обмотки, лежащим в верхнем слое пазов, присвоены номера соответствующих пазов, а вторым сторонам этих секций, лежащим в нижнем слое других пазов, присвоены те же номера со знаком штрих. Направление э.д.с., наводимой в активных проводниках обмотки якоря и определяемой по правилу правой руки, на рис.2.7, а. показано крестиками и точками. Рис. 2.7. Схема простой петлевой обмотки: а – радиальная; б – развернутая Для вычерчивания более удобна развернутая схема обмотки (рис.2.7, б). Здесь секции пронумерованы по верхнему слою. Рис. 2.8. Схема простой петлевой обмотки: в – условная. При установке щеток, как отмечалось, исходят из того, чтобы результирующая э.д.с. машины была максимальной и щетки закорачивали те секции, которые пересекают геометрическую нейтраль (в этих секциях э.д.с. не наводится). На рис.2.7, а, б указанные секции выделены жирными линиями (5, 10, 15 и 20-я). Из сказанного следует, что в рассматриваемом примере должны быть установлены четыре щетки; одноименные из них должны быть соединены между собой. Для того чтобы более четко представить порядок соединения секций и выделить параллельные ветви, составляют условную схему обмотки (рис. 2.8, в). Из этой схемы видно, что число параллельных вет- вей рассматриваемой обмотки 2а=4 равно числу полюсов статора 2р=4. Аналогично можно показать, что соотношение 2a 2 p (2.9.) справедливо для любой машины, имеющей простую петлевую обмотку. Простые петлевые обмотки нашли применение в авиационных электрических генераторах мощностью от 5 кВт и выше. 2.3.3. Простая волновая обмотка Простой волновой обмоткой называется такая обмотка, в которой после одного обхода коллектора приходят к коллекторной пластине, лежащей рядом с исходной. Для неперекрещивающейся обмотки (рис.2.3, б) первая секция второго обхода располагается слева от первой секции первого обхода, т. е. в результате одного обхода происходит перемещение по якорю и коллектору на один элементарный паз (деление) влево. Рис. 2.9. Схема простой волновой обмотки: а – радиальная; б – развернутая; Рис. 2.10. Схема простой волновой обмотки: в – условная. При одном обходе укладывается р секций, следовательно: yp yk p zэл 1. Отсюда y yk z эл 1 . р (2.10) Второй частичный шаг y2 определяется по формуле y2 y y1 (2.11) Для выяснения свойств простой волновой обмотки рассмотрим пример обмотки со следующими данными: zэл=19, р=2. На основании формул (2.6.), (2.10.) и (2.11.) имеем: z эл 19 3 4; 2p 4 z 1 19 1 y y k эл 9; p 2 y 2 y y1 9 4 5. y1 Согласно полученным данным на рис.2.9. построены радиальная (рис.2.9, а ) и развернутая (рис.2.9, б ) схемы обмотки. Устанавливая щетки при простой волновой обмотке, руководствуются теми же соображениями, что и при простой петлевой обмотке. В рассматриваемом примере установлены четыре щетки, причем одноименные соединены между собой. Для более наглядного показа числа ветвей обмотки на рис.2.10, в приведена ее условная схема, из которой видно, что в простой волновой обмотке, несмотря на наличие четырех полюсов, имеются только две параллельные ветви. В общем случае здесь справедливо соотношение: 2a 2. (2.12.) Поэтому можно было в рассматриваемом примере ограничиться установкой на коллекторе только двух щеток. Но обычно устанавливается все же полное число щеток, равное числу полюсов 2р. Это позволяет уменьшить ток, приходящийся на каждую щетку, и соответственно уменьшить размеры коллектора. Кроме того, установкой полного числа щеток достигается большая симметрия обмотки, что улучшает работу машины. Простые волновые обмотки применяются в авиационных электрических генераторах мощностью до 3 кВт и двигателях мощностью свыше 300 Вт. 2.3.4. Условия симметрии обмоток Независимо от типа обмотки конец одной секции и начало следующей секции присоединяются к одной и той же коллекторной пластине. Следовательно, если обозначить через S число секций обмотки, а через К—число коллекторных пластин, то, очевидно: S K. (2.13.) Выше было установлено, что обмотки якорей машин постоянного тока представляют собой комбинации параллельно включенных элементарных обмоток, состоящих из двух параллельных ветвей. Чтобы обеспечить равенство э.д.с. в параллельных ветвях, обмотка якоря должна удовлетворять следующим условиям симметрии: 1. Каждая пара параллельных ветвей должна состоять из одинакового числа секций, т. е. S K целое число. a a (2.14.) 2. Каждая пара параллельных ветвей должна размещаться в одинаковом числе пазов, т. е. z целое число. a (2.15.) 3. Каждая пара параллельных ветвей должна, находиться в одинаковом положении относительно системы полюсов, т. е. 2p целое число. (2.16.) a В простой петлевой обмотке а = р, следовательно, условие симметрии (2.16.) в этой обмотке всегда соблюдается. В простой волновой обмотке а = 1, поэтому в этой обмотке все указанные условия симметрии всегда соблюдаются. 2.3.5. Уравнительные соединения Практика показывает, что даже при соблюдении тех условий симметрии, которые были изложены выше, э.д.с. ее параллельных ветвей могут быть неодинаковыми. Это объясняется главным образом магнитной несимметрией машины, которая обусловлена неравномерностью воздушного зазора под полюсами, а также различной индукцией в отдельных частях магнитной цепи машины (из-за наличия раковин в стали и пр.). Явление магнитной несимметрии по-разному сказывается на волновых и петлевых обмотках. В волновой обмотке секции каждой параллельной ветви равномерно распределены под всеми полюсами магнитной системы машины (рис.2.9, б и рис.2.10, в). Вследствие этого магнитная несимметрия не приводит к неравенству э.д.с., индуктируемых в отдельных параллельных ветвях. В петлевой обмотке секции каждой параллельной ветви находятся под своей парой полюсов, и поэтому всякая несимметрия магнитной системы между разными парами полюсов приводит к неравенству э.д.с., индуктируемых в отдельных параллельных ветвях обмотки (рис.2.7, б, и рис.2.8, в). Рис.2.11. Схема уравнительных соединений. Неравенство э.д.с. параллельных ветвей обмотки приводит к появлению уравнительных токов, которые замыкаются через часть обмотки якоря, щетки одинаковой полярности и соединяющие их провода. Сопротивление этого пути очень небольшое, поэтому даже незначительная разница индуктируемых э.д.с. вызывает большие уравнительные токи. Эти токи протекают и при отсутствии нагрузки машины. Уравнительные токи вызывают перегрузку отдельных параллельных ветвей и щеток, вследствие чего ухудшаются условия работы щеточно-коллекторного узла, растут потери в проводниках обмотки, повышается температура машины и уменьшается ее к.п.д. Для устранения этого явления уравнительные токи направляются помимо щеток. Это достигается установкой так называемых уравнительных соединений, с помощью которых соединяются между собой те точки обмотки, которые теоретически должны иметь равные потенциалы. Уравнительные соединения разгружают щетки от уравнительных токов и, кроме того, как показывают более детальные исследования, м.д.с., создаваемые этими токами, в некоторой степени выравнивают несимметрию магнитных потоков отдельных полюсов. В авиационных электрических машинах уравнительные соединения устанавливаются со стороны коллектора. Чтобы выполнить уравнительные соединения, необходимо знать расстояние между двумя соседними коллекторными пластинами равного потенциала, так называемый потенциальный шаг, определяемый по формуле yy K . p (2.17.) Для простой петлевой обмотки потенциальный шаг yy K 20 10. p 2 Схема ее уравнительных соединений показана на рис.2.11. Чем больше уравнительных соединений, тем лучше выполняют они свое назначение. На рис.2.11. показан коллектор с полным числом уравнительных соединений. Однако применение полного числа уравнительных соединений конструктивно усложняет электрическую машину и делает ее более дорогой. Поэтому в авиационных электрических машинах, имеющих петлевую обмотку и работающих в длительном режиме, как правило, применяют неполное число уравнительных соединений. Обычно число колец, которые присоединяются к равнопотенциальным точкам, выбирают равным 2р. Площадь поперечного сечения уравнительных соединений берется равной 1 ..... 1 площади поперечного сечения обмотки якоря. Рассмотренные 5 3 уравнительные соединения называются уравнительными соединениями первого рода. В промышленных электрических машинах применяются так называемые сложные петлевые и волновые обмотки, которые характеризуются соответственно шагами y m, y z эл m (где m>1, p обычно m=2) и числами параллельных ветвей 2а=2рm и 2а=2m. В таких обмотках применяются уравнительные соединения второго рода в целях обеспечения электрического соединения входящих в них простых обмоток помимо щеток, чтобы избежать неравномерного распределения тока между отдельными простыми обмотками в связи с различным состоянием щеточных контактов. В авиационных машинах сложные обмотки в чистом виде не применяются. 2.4. Магнитная цепь машины постоянного тока Ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает м.д.с. F. Она обусловливает магнитный поток Ф0, который замыкается через участки машины, образующие ее магнитную систему. Сюда входят (рис.2.12.): воздушный зазор δ; зубцовый слой hз; спинка сердечника якоря Lя; полюса hп и ярмо Lяр. Магнитный поток каждого полюса разделяется на две равные части и направляется одновременно к двум соседним полюсам. Рис. 2.12. Магнитная цепь машины постоянного тока В соответствии с законом Ома, применительно к магнитной цепи величина магнитного потока Ф прямо пропорциональна м.д.с. F и обратно пропорциональна сумме магнитных сопротивлений ∑Rm всех участков магнитной цепи: Ф F Ф ФS . R m где ФS - поток рассеяния между полюсами. Величина основного (полезного) магнитного потока, необходимая сила наведения в обмотке якоря требуемой э.д.с., определяется по формуле (2.2.) Ф a 60 E a . pNn (2.18.) Необходимая м.д.с. для создания в магнитной цепи требуемого магнитного потока определяется расчетом магнитной цепи. Так как магнитная цепь машины состоит из пяти участков, отличающихся как размерами, так и свойствами материалов, из которых они изготовлены, то рассчитывают магнитные напряжения для каждого участка цепи в отдельности. Затем, сложив результаты, получают значение м.д.с. всей магнитной цепи в расчете на пару полюсов: F F Fз Fя FП Fяр , (2.19.) где Fδ - магнитное напряжение воздушных зазоров; FЗ - магнитное напряжение зубцовых зон; FЯ - магнитное напряжение сердечника якоря; FП - магнитное напряжение сердечников полюсов; FЯР - магнитное напряжение ярма. Основное значение здесь имеет магнитное напряжение воздушного зазора, которое вычисляется по формуле F 2H K 2 B 0 K 2 B 4 10 7 K 1,6 10 6 B K , (2.20.) где Нδ - напряженность магнитного поля, А/м; Вδ. - магнитная индукция, mл; δ - воздушный зазор, м; μ0=4π·10-7 - магнитная проницаемость вакуума, гн/м; Кδ - коэффициент зазора, учитывающий увеличение магнитного сопротивления вследствие зубчатой поверхности якоря (Кδ = 1,15 — 1,3). Магнитное напряжение остальных участков магнитной цепи, выполненных из стали, определяется по формуле Fx H xlx . Напряженность магнитного поля на различных участках цепи определяется по магнитной индук- ции, подсчитываемой по формуле Bx Фx , Sx где Фх - магнитный поток на участке, вб; Sх - площадь поперечного сечения участка, м2. Зная величину магнитной индукции участка, по кривым намагничивания определяют напряженность магнитного поля. Таким образом, в соответствии с рис.2.12. и формулой (2.19.) магнитодвижущая сила на пару полюсов будет F 1,6 106 B K 2H з hз H я Lя 2H п hп H яр Lяр . (2.21.) Число витков в катушке возбуждения wB, располагаемой на полюсе, определяется из отношения м. д. с. F к току в обмотке возбуждения iи: wB F . 2i B (2.22.) Величина тока в обмотке возбуждения, включенной параллельно обмотке якоря, обычно не превышает 1-5% номинального тока якоря. В последовательной обмотке возбуждения протекает ток якоря. О магнитных свойствах машины судят по так называемой кривой намагничивания Ф=f(F). Для ее построения берут несколько значений магнитного потока, например, 0,5 Ф; 0,75 Ф; 1,0 Ф и 1,25 Ф, и для каждого из них рассчитывают м.д.с. F. По полученным данным строится кривая Ф=f(F) (рис.2.13. ). В начальной части кривая намагничивания имеет прямолинейный характер, так как при малых значениях магнитного потока сталь машины не насыщена и м.д.с. тратится на прохождение магнитного потока практически только через воздушный зазор. Рис.2.13. Кривая намагничивания машины постоянного тока По мере увеличения магнитного потока Ф, все большая часть м.д.с. тратится на проведение магнитного потока по стали, и характеристика становится криволинейной. Если прямолинейную часть характеристики Ф=f(F) продолжить до пересечения с горизонтальной прямой ас, то отрезок ab покажет практически величину магнитного напряжения воздушного зазора Fδ. Отношение F ac KH F ab (2.23.) называется коэффициентом насыщения. По величине КН можно судить о степени насыщения магнитной цепи машины (обычно КН = 1,1 — 1,35). 2.5. Реакция якоря 2.5.1. Магнитодвижущаяся сила и поля электрической машины постоянного тока При холостом ходе в электрической машине постоянного тока существует только м. д. с. основных полюсов, которая создает основной магнитный поток Ф0. Графически он изображен на рис.2.14. Как видно, магнитный поток имеет симметричное расположение относительно оси полюсов у—у и геометрической нейтрали (ГН). Вследствие вращения якоря в поле Ф0 в обмотке якоря наводится э.д.с., направление которой показано на рис.2.14, а точками и крестиками. Рис. 2.14. Магнитное поле машин постоянного тока: а – основное поле; б – поле якоря. При подключении к машине внешней цепи по обмотке якоря начнет протекать электрический ток и образуется м.д.с., которая, если применить метод суперпозиции, создаст свой магнитный поток. Направление его определяется по правилу буравчика. На рис.2.14,б показано распределение магнитных силовых линий поля якоря при условном расположении щеток непосредственно на проводниках в зоне геометрической нейтрали для генераторного режима работы машины. Поле, создаваемое токами в якорной обмотке, как видно, располагается симметрично относительно геометрической нейтрали (ось поля якоря совпадает с геометрической нейтралью) и оси полюсов у—у и имеет с правой стороны северный полюс, а с левой — южный. В электрической машине, работающей под нагрузкой, имеются не две м.д.с. — якоря и полюсов, а одна — результирующая, которая возникает при взаимодействии м.д.с. якоря и полюсов. Результирующая м.д.с. машины создает результирующий магнитный поток Ф. Воздействие м.д.с. якоря на м.д.с. основных полюсов называется реакцией якоря. Рис. 2.15. Результирующие магнитные поля генератора (а) и двигателя (б) Под влиянием реакции якоря результирующий магнитный поток распределяется под полюсами электрической машины неравномерно (рис. 2.15,а). Ось результирующего магнитного потока машины сдвигается по отношению к оси полюсов. Для количественной оценки поля якоря нужно определить м.д.с. якоря. С этой целью зубчатую поверхность якоря условно заменяют гладкой с воздушным зазором δ’=δКδ. Рис. 2.16. Изменение м.д.с. и индукции поля якоря машины без дополнительных полюсов (а) и с дополнительными полюсами (б). Найдем м.д.с. якоря на пару полюсов, предположив, что щетки установлены на геометрической нейтрали, и первый частичный шаг обмотки y1 = τ. В этом случае средняя точка каждой ветви обмотки якоря находится на осевой линии соответствующего полюса. Магнитные силовые линии поля якоря будут располагаться по обе стороны от средней точки О и иметь взаимно противоположное направление (рис. 2.16,а). Магнитодвижущая сила, создаваемая частью обмотки якоря, находящейся на расстоянии х в обе стороны от оси полюсов, будет иметь значение Fax A2x. Магнитодвижущая сила якоря увеличивается к краям полюсов и при х= Fa A2 2 A . 2 достигает максимума (2.22.) Характер изменения м. д. с. якоря показан на рис. 2.16,а ломаной линией 1-1-1. В пределах полюсного деления каждая магнитная силовая линия дважды проходит через воздушный зазор и замыкается по стали якоря и полюса. Магнитное сопротивление воздушного зазора велико по сравнению с магнитным сопротивлением стали якоря и полюсов, и поэтому величина магнитной индукции под полюсом зависит в основном от величины магнитного сопротивления воздушного зазора. Последний сохраняется неизменным под полюсным наконечником, поэтому характер изменения магнитной индукции Ва будет под полюсом таким же, как и характер изменения м.д.с. (рис.2.16,а , кривая 2-2-2). В междуполюсном пространстве магнитная индукция резко уменьшается вследствие значительного увеличения магнитного сопротивления. Авиационные генераторы постоянного тока выполняются обычно с дополнительными полюсами (ДП) и неподвижными щетками, расположенными, согласно принятой выше условности, на геометрической нейтрали. Распределение МДС якоря и магнитной индукции таких генераторов имеет соответственно вид кривых 1-1-1 и 2-2-2, указанных на рис. 2.16, б. Когда щетки стоят на геометрической нейтрали, поле якоря, как отмечалось, направлено под углом 90° к оси полюсов (рис. 2.14,б). Такое поле якоря называется поперечным. При сдвиге щеток с геометрической нейтрали на угол ±90°, ось поля якоря совмещается с осью полюсов. Такое поле якоря называется продольным. В общем случае щетки могут быть сдвинуты с геометрической нейтрали на угол ±β1. При этом в электрической машине будут иметь место продольная и поперечная м.д.с. якоря. Продольная м.д.с. якоря (рис. 2.17, а) образуется частью обмотки якоря, заключенной в двойном угле β1, и равняется Fad A2b, (2.23.) где b - дуга по окружности якоря, соответствующая углу β1. Продольная м.д.с. якоря уменьшает результирующее магнитное поле машины в генераторном режиме работы при сдвиге щеток с геометрической нейтрали по направлению вращения якоря и увеличивает его при сдвиге щеток против направления вращения якоря. При одинаковых полярностях и направлениях тока в обмотке якоря генератор и двигатель имеют противоположные направления вращения. Поэтому реакция якоря в двигателе (рис. 2.15, б) действует в обратном направлении по сравнению с реакцией якоря в генераторе. Поперечная м.д.с. якоря создается остальной частью обмотки, заключенной в угле 180º-2β1 (рис.2.17,б), и равняется Faq A( 2b). (2.24.) Рис. 2.17.Продольная (а) и поперечная (б) м.д.с. якоря. Поперечная м. д. с. якоря искажает результирующее магнитное поле, а при насыщении магнитной системы электрической машины и ослабляет его. Рассмотрим это более подробно применительно к генераторному режиму работы машины, полагая, что щетки установлены на геометрической нейтрали. На рисунке 2.18. в развернутом виде показана пара полюсов и якорь машины с обмоткой. Магнитное поле, создаваемое полюсами, показано трапецеидальной кривой 1. Кривая поля якоря 2 имеет седлообразный характер. При ненасыщенной магнитной системе, чтобы получить результирующую магнитную индукцию (кривая 3), достаточно сложить ординаты составляющих магнитных полей (кривые 1 и 2). Анализ кривой 3 показывает, что под набегающими (правыми) частями полюсов N и S магнитное поле якоря ослабляет магнитное поле полюсов, а под сбегающими (левыми) – усиливает его. При этом ослабление и усиление магнитного поля полюсов будет одинаковым и результирующий магнитный поток не будет отличаться по величине от магнитного потока полюсов. Однако распределение результирующей магнитной индукции (кривая 3) под полюсом будет уже не симметричным относительно его оси. Кривая результирующего магнитного поля проходит через нулевые значения в точках а и b, которые определяют положение физической нейтрали (ФН). При холостом ходе ФН совпадает с геометрической, а при нагрузке она, как видно, смещается по направлению вращения якоря генератора на угол β (рис.2.15, а). Рис.2.18. Распределение магнитной индукции результирующего поля. При насыщенной магнитной системе поперечная м.д.с. якоря обусловливает уменьшение результирующего магнитного потока, так как прирост потока под сбегающим краем полюса (участок кривой 4) будет меньшим, чем ослабление потока на набегающем крае полюса (участок кривой 5). При этом наибольшее размагничивающее действие м.д.с. якоря оказывает при работе на колене кривой намагничивания. Таким образом, поперечная реакция якоря при насыщенной магнитной системе не только искажает, но и уменьшает результирующее магнитное поле и соответственно уменьшает э.д.с. и напряжение генератора. 2.5.2. Особенности реакции якоря в авиационных генераторах В авиационных генераторах реакция якоря имеет некоторые особенности. Эти генераторы имеют широкий диапазон скорости вращения ( n м акс 2 ). nм ин Рис. 2.19. Кривые распределения магнитной индукции в генераторах с изменяющейся скоростью вращения: 1 – поле полюсов при пмакс; 2 – поле полюсов при пмин; 3 – поле якоря; 4 – результирующее поле. Для обеспечения постоянства напряжения на зажимах генератора при изменяемой скорости вращения якоря и изменяемой нагрузке авиационные генераторы работают совместно с регуляторами напряжения. Последние автоматически изменяют величину тока в обмотках возбуждения генераторов. При максимальной скорости вращения магнитное поле основных полюсов минимально, при минимальной скорости, наоборот, - максимально (рис.2.19, кривые 1 и 2). В целях уменьшения габаритных размеров и веса авиационные генераторы выполняются с малыми воздушными зазорами (порядка 0,5…0,8 мм) и высокими линейными нагрузками (А =300…450 А/см). Благодаря этому в них при больших нагрузках получается сильная реакция якоря, которая при высоких скоростях вращения, когда магнитный поток полюсов мал, может не только ослабить его под набегающим краем полюса, но и привести к частичному перемагничиванию полюса, или, как говорят, к «опрокидыванию» магнитного поля под частью полюса (рис.2.19, зона а кривой 4). «Опрокидывание» магнитного поля приводит к искрообразованию на коллекторе (см. п.2.6.). 2.5.3. Компенсационная обмотка Для компенсации магнитного поля реакции якоря иногда применяют так называемую компенсационную обмотку. Она укладывается в пазы полюсных наконечников главных полюсов и соединяется последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы м. д. с. компенсационной обмотки Fk обеспечивала компенсацию м.д.с. якоря Fа (рис. 2.20.). Следует подчеркнуть, что компенсационная обмотка обеспечивает полную компенсацию поля реакции якоря только в зоне полюсов. Рис. 2.20. Компенсационная обмотка. Компенсационная обмотка усложняет конструкцию электрической машины, увеличивает ее габаритные размеры и вес, усложняет отвод тепла из зоны полюсных наконечников. Поэтому в авиационных генераторах компенсационные обмотки применяются лишь в тех случаях, когда из-за специфических условий работы машины с перегрузками, при большой скорости вращения и малом воздушном зазоре влияние м.д.с. реакции якоря становится недопустимым либо в связи с резким искажением и уменьшением результирующего потока, либо по соображениям коммутации. 2.6. Коммутация тока 2.6.1. Общие сведения Под коммутацией тока понимают процесс изменения направления тока в секции в момент замыкания ее щеткой, при переходе секции из одной параллельной ветви в другую. Этот процесс сопровождается рядом сложных явлений. На рис.2.21. показано расположение коммутируемых секций на якоре, на рис.2.22 - распределение токов в отдельной коммутируемой секции. Считая, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины и пренебрегая толщиной изоляционной прокладки между пластинами, можно прийти к выводу, что короткое замыкание секции начинается, когда набегающий край щетки соприкасается с пластиной 2 (рис. 2.22), и заканчивается спустя промежуток времени Тк , когда пластина 1, пройдя путь, равный ширине щетки bщ , отойдет от нее. Время Тк называется периодом коммутации. Обычно оно составляет тысячные доли секунды. Обозначив через Vк окружную скорость коллектора, получим, что спустя промежуток времени t с начала коммутационного процесса, щетка будет перекрывать по ширине участки коллекторных пластин b1=Vк(Tк-t) и b2=Vкt . При длине щетки lщ площади соприкосновения щетки с коллекторными пластинами соответственно будут S1 Vk (Tk t )lщ и S 2 Vk tlщ , а полная площадь контакта Sщ bщlщ VkTk lщ ; откуда S1 Sщ b1 Т t Sщ к bщ Тк и S2 Sщ b2 t Sщ bщ Тк Переходные сопротивления между щеткой и коллекторными пластинами, если учесть, что контактное сопротивление обратно пропорционально площади контакта, равны R1 Rщ Sщ S1 R2 Rщ Ro Sщ S2 Tk ; Tk t (2.25.) Tk ; t (2.26.) Ro где Rщ – переходное сопротивление щетки. Рис.2.21. Расположение коммутируемых секций на якоре двухполюсной машины. Контактные сопротивления R1 и R2 обычно значительно больше сопротивления самой секции ( r ) и соединительных проводников ( rc) между секцией и коллекторными пластинами, поэтому при анализе характера изменения тока в коммутируемой секции сопротивлениями r и rc можно пренебречь. Тогда на основании второго закона Кирхгофа, для короткозамкнутого контура получим i1R1 i2 R2 e, (2.29.) где ∑е – сумма э.д.с., наведенных в коммутируемой секции. В эту сумму входят э.д.с. самоиндукции и взаимоиндукции (рис.2.21.) и э.д.с. вращения от внешнего поля, имеющегося в коммутационной зоне (коммутационной зоной называется та часть поверхности якоря, в которой лежат стороны коммутируемых секций). Рис. 2.22. Распределение токов отдельной коммутируемой секции: 1 и 2 – пластины. Внешнее поле в зоне коммутации создается вследствие м. д. с. реакции якоря (рис. 2.16.) и дополнительных полюсов. Результирующая э.д.с. само- взаимоиндукции называется реактивной э.д.с. вращения от внешнего поля – коммутирующей. Подставив в уравнение (2.27.) значения токов i1 и i2 , равные, согласно первому закону Кирхгофа (из рис.2.22.): i1 ia i (2.28) и получим i ia i2 ia i (2.29) e R2 R1 . R1 R2 R1 R2 (2.30.) После подстановки значений R1 и R2 из уравнений (2.25.) и (2.26.) будем иметь i ia (1 2t ) Tk e T T Rщ k k t Tk t , (2.31.) откуда следует, что при ∑е=0 ток i в коммутируемой секции будет линейной функцией времени. Такая коммутация называется линейной (рис.2.23. тонк. лин.). В этом случае плотность тока под щеткой всюду одинакова. Рис. 2.23. Линейная ( ______ ), замедленная (_жирн______) и ускоренная ( - - - - - ) коммутации. Действительно, для сбегающего края щетки jщ1 i1 i 1 tg1 ; S1 Tk t (2.32.) плотность тока под набегающим краем jщ 2 i2 i 2 tg 2 . S2 t Но α1=α2 , следовательно, jщ1= jщ2. (2.33.) При ∑е≠0 , к току линейной коммутации iД i a (1 2t ) Tk будет добавляться ток: e . Т к Tk Rщ t Tk t (2.34.) По величине и направлению ток iД по отношению к току линейной коммутации зависит от величины и знака алгебраической суммы реактивной э.д.с. еR и коммутирующей э.д.с. ек . Согласно правилу Ленца, еR будет задерживать изменение тока i. Вследствие этого он пройдет через нулевое значение позже, чем при линейной коммутации. Такая коммутация называется замедленной (рис.2.23.жирн. лин.). В отличие от линейной коммутации, плотность тока под щеткой при замедленной коммутации неравномерна: под сбегающим краем она больше, чем под набегающим (α13А> α23А). Полярность внешнего поля устанавливается такой, чтобы ек была направлена против еR. Если к тому же ек > еR, то процесс изменения тока i ускоряется. Такая коммутация называется ускоренной (рис.2.23. штрих. лин.). Перегруженным здесь оказывается, как видно, набегающий край щетки ( α1УВ> α2УВ). Чрезмерное увеличение плотности тока под щеткой при достаточном запасе электромагнитной энергии короткозамкнутой секции 1 2 Lk i Д (где Lk – индуктивность секции) обусловливает появление искрения. 2 При этом увеличиваются износ щеток и потери, повышается температура щеточно-коллекторного узла, портится рабочая поверхность коллектора. Поэтому коммутация с искрообразованием считается неудовлетворительной. В соответствии с ГОСТ 183-55, искрение на коллекторе оценивается по степени искрения под сбегающим краем щетки согласно табл.1 Таблица 1. Степень искрения 1 Характеристика степени искрения Состояние коллектора щеток Отсутствие искрения (темная коммутация) Слабое точечное искрение под небольшой частью щетки Слабое искрение под большей частью щетки Нет почернения на коллекторе и нагара на щетках 2 Искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузки Следы почернения на коллекторе, не устраняемые протиранием поверхности коллектора бензином, а также следы нагара на щетках 3 Значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных и вылетающих искр. Допускается только для моментов прямого (без реостатных ступней) включения или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей рабо- Значительное почернение на коллекторе, не устраняемое протиранием поверхности коллектора бензином, а также подгар и разрушение щеток. 1¼ 1½ Следы почернения на коллекторе, легко устраняемые протиранием поверхности коллектора бензином, а также следы – нагара на щетках ты Для авиационных машин при номинальном режиме работы степень коммутации обычно не выше 1 1 . Следует отметить, что, помимо электромагнитных причин, указанных выше, большое влияние на ком2 мутацию оказывают причины потенциального и механического характера. Среднее значение напряжения между двумя соседними пластинами коллектора U к .ср. U 2 Bcр lV a wc 2B lV a wc , K 2p (2.35.) где wc – число витков в секции. При нагрузке вследствие поперечной реакции якоря (рис. 2.24.) оно увеличивается до U к. макс 2ВмаксlVa wc 2(1,4...1,6) B lVa wc . (2.36.) Полагая, что α≈0,7, получим U к. м акс 2...2,3. U к.ср. Рис.2.24. Условие для возникновения максимального напряжения между смежными коллекторными пластинами Согласно опытным данным, коммутация авиационных машин протекает удовлетворительно только в том случае, если Uк. макс ≤15…20 В. При больших напряжениям в высотных условиях изоляционная прокладка между коллекторными пластинами может быть пробита, чему способствует не только снижение там пробивного напряжения, но также и всегда имеющаяся на коллекторе металлическая и угольная пыль. Причины искрения механического характера связаны с несовершенством коллектора и щеточного аппарата (эллиптичность коллектора; выступление отдельных пластин, вызванное нагреванием и центробежными силами; несбалансированность коллектора; вибрация щеток в обойме и т.д.). Обычно наиболее трудно устранить электрические причины искрения. 2.6.2. Способы улучшения коммутации Способы улучшения коммутации основаны на уменьшении добавочного тока iД. Как видно из уравнения (2.34.), этого можно достичь либо путем уменьшения ∑е=еR + еК , либо путем увеличения Rщ . Для того чтобы уменьшить величину внешнего поля в коммутационной зоне, следует прежде всего обеспечить по возможности минимальную величину еR, которая, как показывает более подробный анализ, определяется уравнением eR 2wc AlVa , (2.37.) где ξ - коэффициент суммарной магнитной проводимости, отнесенный к единице длины пазовой (активной) части секции. Следует подчеркнуть, что это соотношение, строго говоря, справедливо лишь при ширине щетки (bщ), равной ширине коллекторной пластины (bK). В действительности щетка одновременно перекрывает 2…3 коллекторные пластины. При этом увеличивается объем коммутационного тока, но вместе с тем увеличивается и время коммутационного процесса, так что еR сохраняет практически то же значение. Для уменьшения еR в отечественных авиационных генераторах, как правило, принимают wc = 1, в связи с чем увеличивается число коллекторных пластин К и диаметр коллектора DK ( обычно DK =D ). В иностранных авиационных генераторах в последнее время наряду с wc = 1 стали использовать wc = 2 и уменьшенный диаметр коллектора до (0,6…0,7) D в целях увеличения ресурса работы щеточно-коллекторного узла. Согласно опытным данным, коммутация при еR ≤ 0,5…1В в авиационных генераторах и еR ≤ 0,5…2В в авиационных двигателях получается удо- влетворительной. В противном случае принимаются дополнительные меры для компенсации еR c помощью еК. При этом в машине малой мощности ( примерно до 2 кВт) коммутирующее поле получается путем сдвига щеток за физическую нейтраль по вращению в генераторе и против вращения в двигателе. Однако равенство еК = - еR при этом достигается только при определенной нагрузке, так как при ее изменении физическая нейтраль смещается и указанное равенство нарушается. В более мощных машинах коммутирующее поле создается с помощью дополнительных полюсов ДП (рис.2.25), обмотка которых соединяется последовательно с обмоткой якоря. Коммутирующая э.д.с. eK 2wc BK lVa , (2.38.) где Вк - индукция внешнего поля в коммутационной зоне. Сравнивая соотношения (2.37.) и (2.38.), можно прийти к выводу, что если магнитная система дополнительных полюсов слабо насыщена и BK A , то обеспечивается автоматичность действия дополнительных полюсов в отношении компенсации еR при изменении нагрузки. Рис.2.25. Двухполюсная машина постоянного тока с дополнительными полюсами Магнитодвижущая сила дополнительных полюсов должна превышать поперечную м.д.с. реакции якоря на величину, необходимую для создания поля с индукцией ВК (рис.2.26.). Полярность дополнительных полюсов определяется из условия, что они должны выполнять ту же роль, что и сдвиг щеток в машине без дополнительных полюсов. Поэтому в генераторах полярность дополнительных полюсов должна предшествовать полярности главных полюсов, а в двигателях - наоборот (рис.2.26.). Рис. 2.26. Результирующее поле в воздушном зазоре машины с дополнительными полюсами Рис.2.27. Двухполюсная машина постоянного тока с одним дополнительным полюсом Часто в авиационных генераторах для уменьшения их габаритов устанавливается число дополнительных полюсов в два раза меньше числа главных полюсов (рис.2.27.). При этом для определения коммутирующей э.д.с. можно воспользоваться соотношением (2.38.), лишь изменив в нем коэффициент 2 на 1, так как коммутирующее поле в данном случае будет наводить э.д.с. еК практически только в одной секционной стороне; ту же э.д.с. еК, что и в машине с полным комплектом дополнительных полюсов, здесь можно обеспечить, создав коммутирующее поле с индукцией В'К = 2ВК . Второй путь уменьшения iД - посредством увеличения контактного сопротивления RЩ - связан с выбором соответствующего сорта щеток и обеспечением их удовлетворительной работы в высотных условиях. 2.7. Щетки и их характеристики Одной из важнейших характеристик щетки является величина ее удельного переходного сопро- ρЩ , рассчитанного на единицу контактной поверхности щетки. Выше, при анализе коммутационного процесса, мы исходили из постоянства и независимости ρЩ, от плотности тока и характера контактной поверхности. В действительности ρЩ, изменяется при изменении плотности тока jЩ , химического тивления состояния контактной поверхности, ее температуры, направления тока (от щетки к коллектору или наоборот), удельного давления на щетку, линейной скорости на окружности коллектора и других механических факторов. В результате не удается точно определить число витков дополнительных полюсов, величину зазора между ними и форму полюсного наконечника. Все эти вопросы окончательно решаются при экспериментальной наладке коммутации. Марки щеток, применяемых в авиационных машинах, и их основные характеристики приведены в табл. 2. Наибольшее сопротивление имеют твердые угольнографитные щетки; наименьшее - меднографитные щетки. Падение напряжения на щетках U Щ I a RЩ jO S Щ Щ SЩ jЩ Щ , (2.39.) начиная с некоторой плотности тока, остается практически постоянным (рис.2.28. ), т.к. переходное сопротивление изменяется в этой зоне почти обратно пропорционально jЩ,. Следует подчеркнуть, что, на рис.2.28. взято суммарное падение напряжения под двумя щетками, так как падение напряжения при направлении тока от металла к угольной щетке больше, чем при обратном направлении. Щетки имеют отри- цательный температурный коэффициент, поэтому с увеличением температуры ρЩ, уменьшается. При достижении предельных температур порядка 180…230°С нарушается коммутация и резко увеличивается износ щеток. При длительной работе медь коллектора покрывается тонкой оксидной пленкой (политурой) темно-коричневой окраски. Она уменьшает трение и, следовательно, износ щетки и одновременно увеличивает переходное сопротивление, улучшая тем самым коммутацию. Рис. 2.28. Переходное падение напряжения для щеток различных марок. Толщина оксидной пленки зависит от плотности тока, свойств контактных поверхностей и окружающей среды. С увеличением высоты полета толщина оксидной пленки уменьшается, износ щеток резко возрастает и коммутация ухудшается. Это связано с тем, что с увеличением высоты уменьшается содержание влаги в воздухе, в связи с чем ослабляется процесс электролиза в контактном слое щеток, при котором выделяется кислород, окисляющий контактную поверхность коллектора. Для уменьшения износа в высотных условиях в шихту авиационных щеток обычно добавляется олово. Так, в широко используемых щетках типа МГС-7И Сu составляет 40%, С - 40%, РЬ - 10% и Sn - 10%. Они имеют высотность до 20 км. Их износ на продельных высотах достигает 0,3 мм и более за 5 час работы. Работа щетки в очень сильной степени зависит от однородности ее структуры. Для ее обеспечения щетки МГС-7И состоят из двух тонких половинок. В последнее время применяются щетки типа В1-7 с углекислым литием. Их высотность достигает 25 км. На больших высотах используются щетки типа ВТ-5 с дисульфидом молибдена, который обеспечивает смазку коллектора. Их высотность более 20 км. Переходное сопротивление щетки и соответственно переходное падение напряжения, как уже отмечалось, зависят от удельного давления на щетку. Причем с повышением давления падение напряжения сначала резко уменьшается, а затем изменяется мало. Удельное давление на щетку в авиационных машинах достигает 600…1000 г/см2. Увеличение линейной скорости VK на окружности коллектора мало влияет на величину 2∆ UЩ. Но как только щетка начинает дрожать, процесс коммутации резко ухудшается. В заключение следует подчеркнуть, что при выборе щеток приходится руководствоваться компромиссным решением, так как с точки зрения улучшения коммутации выгодно брать более твердые щетки с повышенным переходным сопротивлением, но эти щетки допускают меньшую плотность тока, и в связи с этим увеличивается поверхность щеток, размеры коллектора и потери. 2.8. Коммутационная реакция якоря Под коммутационной реакцией якоря понимают воздействие м.д.с., создаваемой токами коммутируемых секций, на м.д.с. основных полюсов. При линейной коммутации среднее значение коммутируемого тока за период коммутации равняется нулю, поэтому коммутационная реакция якоря отсутствует (рис. ). При замедленной коммутации преобладает размагничивающее действие м.д.с. коммутируемых секций, и поэтому основное поле в генераторном режиме ослабляется (в двигательном режиме аналогичное действие происходит при ускоренной коммутации). При ускоренной коммутации коммутационная реакция якоря в генераторном режиме оказывает намагничивающее действие (в двигательном режиме аналогичное действие происходит при замедленной коммутации). Особенно сильное влияние коммутационная реакция якоря оказывает в авиационных генераторах с неполным комплектом дополнительных полюсов, обусловливая «спад» в регулировочных характеристиках, что затрудняет обеспечение устойчивой параллельной работы таких машин. 2.11. Свойства и характеристики генераторов постоянного тока 2.11.1. Классификация по способу возбуждения Свойства генераторов существенно зависят от способов их возбуждения. Наиболее распространены следующие способы возбуждения генераторов: a) независимое возбуждение (электромагнитное и от постоянных магнитов); б) самовозбуждение (с параллельным, последовательным и смешанным способом включения обмоток возбуждения). Принципиальные схемы генераторов с различными способами возбуждения показаны на рис. 2.29. Рис. 2.29. Схемы возбуждения машин постоянного тока а – независимое; б – параллельное; в – последовательное (сериесное); г – смешанное (компаудное). 2.11.2. Энергетическая диаграмма генератора Энергетическая диаграмма генератора независимого возбуждения показана на рис. 2.30. Независимое возбуждение генератора осуществляется от постороннего источника электрической энергии (рис.2.29,а). Мощность в цепи возбуждения равна PB U BiB . Рис.2.30. Энергетическая диаграмма генератора независимого возбуждения. От приводного двигателя к генератору подводится мощность P1 (рис. 2.30.). Часть ее затрачивается на покрытие механических потерь рмх генератора. Если генератор возбужден, то на покрытие потерь в стали затрачивается мощность рС. Сумма этих потерь представляет собой потери холостого хода генератора р0 рMX рC . (2.40.) Большая часть мощности приводного двигателя преобразуется в электромагнитную мощность генератора PЭМ Еа I а Р1 р0 . (2.41.) Ток в цепи якоря вызывает потери в проводниках обмотки потерь рм и потери в щеточном контакте потерь рщ, сумму которых можно представить как рМ рЩ I a2 Ra , (2.42.) Электрическая мощность, полезно отдаваемая генератором в сеть, равна P2 UI a PЭМ ( рМ р Щ ). (2.43.) Возникающие при работе генератора добавочные потери обычно особо не учитываются и включаются частично в потери в стали рс и частично в потери в меди рих. Из уравнений (2.41.)… (2.43.) следует уравнение равновесия э.д.с. генератора: U Ea I a Ra . (2.44.) В генераторах с возбуждением от возбудителей (независимое возбуждение) потери на возбуждение рв покрываются непосредственно приводным двигателем, в генераторах с самовозбуждением — электромагнитной мощностью Рэм . При независимом возбуждении от постоянных магнитов потерь на возбуждение нет. 2.11.3. Уравнение равновесия моментов генератора Как указывалось выше (см. рис. 2.2.), в генераторах электромагнитный момент МЭМ направлен навстречу моменту приводного двигателя МДВ. Кроме тормозящего электромагнитного момента МЭМ на валу генератора существует еще момент холостого хода М0 , соответствующий механическим потерям генератора и потерям в стали. При постоянной скорости вращения якоря полный тормозящий момент генератора МТ определяется как М Т М ЭМ М 0 . Согласно условию равновесия моментов, вращающий и тормозящий моменты должны находиться во взаимном равновесии, т.е. должны быть равны по величине, но направлены в противоположные стороны: М ПР М Т ( М ЭМ М 0 ). (2.45.) 2.11.4. Характеристики генераторов А. Характеристика холостого хода Одной из важнейших характеристик генератора является характеристика холостого хода (х.х.х.), представляющая собой зависимость Ea f (iB ) при токе нагрузки I=0 и n=const. Так как э.д.с. генератора, согласно формуле (2.3.), равна Ea ce nФ Ф, то х.х.х. представляет собой по существу характеристику магнитопровода машины и изображается графически в виде петли гистерезиса (рис.2.31.). Ширина петли определяется прежде всего свойствами материала магнитопровода, а также величиной воздушного зазора. Отрезок ОК характеризует э.д.с., обусловленную наличием в магнитопроводе остаточного магнетизма. При практических расчетах за характеристику холостого хода принимают среднюю (штриховую) линию. Положение на характеристике точки А1, соответствующей номинальной э.д.с. генератора, определяет степень насыщения магнитной цепи. Обычно эта точка лежит на изгибе кривой, так как работа на прямолинейной части не обеспечивает устойчивого напряжения, а работа на насыщенной части кривой ограничивает возможность его регулирования и требует большой мощности возбуждения. Характеристики холостого хода для машин с независимым возбуждением и самовозбуждением аналогичны. Рис.2.31. Характеристика холостого хода генератора Б. Принцип самовозбуждения генераторов постоянного тока Рассмотрим процесс самовозбуждения генератора постоянного тока на примере генератора с параллельным возбуждением (рис.2.29,б) в режиме холостого хода. Если привести якорь генератора во вращение с номинальной скоростью, то под действием остаточного магнитного потока в обмотке якоря возникнет небольшая э.д.с., равная 1…3% номинальной. Под действием этой э.д.с. по цепи возбуждения потечет небольшой ток, создающий некоторый магнитный поток. Процесс самовозбуждения генератора может протекать только в том случае, если возникший магнитный поток совпадает по направлению с остаточным магнитным потоком. В этом случае результирующий поток машины увеличивается, что приводит к увеличению наводимой в обмотке якоря э.д.с., а она в свою очередь увеличивает ток возбуждения, поток машины и т. д. Графически этот переходный процесс показан на рис.2.32. С одной стороны он определяется х.х.х. (кривая 1), с другой – характеристикой цепи возбуждения (прямая 2) iB RB f (iB ) (RB – сопротивление цепи возбуждения). Электродвижущая сила генератора уравновешивается падениями напряжения в цепи возбуждения E a i B R B LB di B , dt (2.46.) где LB - индуктивность обмотки возбуждения. Величины отрезков ординат между кривой 1 и прямой 2, равные интенсивность процесса самовозбуждения. LB diB dt , характеризуют Рис.2.32. Самовозбуждение генератора. Пересечение характеристики цепи возбуждения — луча сопротивления — с характеристикой холостого хода определяет точку установившегося режима для генератора (точка А1 ). Положение точки А1 на кривой х.х.х. зависит от угла наклона луча сопротивления RB iB RB tg1. iB В положении 3, когда луч сопротивления становится касательным к х.х.х., генератор не возбуждается. Такое значение RB называется критическим сопротивлением. Таким образом, условиями самовозбуждения генератора являются: 1) наличие остаточного магнетизма; 2) правильное присоединение обмотки возбуждения к обмотке якоря (появляющийся в цепи возбуждения ток должен усиливать поле остаточного магнетизма); 3) сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического. Самолетные генераторы постоянного тока, приводом которых является авиационный двигатель, обычно работают при переменной скорости вращения якоря. Поэтому при исследовании этих генераторов представляет интерес рассмотреть серию характеристик холостого хода, соответствующих различным скоростям вращения (рис. 2.33.). Рис.2.33. Скоростные характеристики генераторов с самовозбуждением. Из их анализа следует, что генератор может самовозбудиться лишь при определенной (более критической) скорости вращения якоря; критической скоростью называется такая скорость, при которой характеристика цепи возбуждения лишь касается х.х.х. В. Рабочие характеристики генераторов с независимым и параллельным возбуждением К рабочим характеристикам генераторов относятся нагрузочные, внешние и регулировочные характеристики. Нагрузочные характеристики представляют собой зависимости U=f(iВ) при токе нагрузки I=const и n=const (рис.2.34.). Эти характеристики практически одинаковы для генераторов с независимым и параллельным возбуждением. Частным случаем нагрузочной характеристики является х.х.х. Напряжение на зажимах генератора при нагрузке меньше его э.д.с. вследствие падения напряжения в цепи якоря (IRa) и размагничивающего действия реакции якоря, обусловливающего уменьшение Еa. Влияние этих факторов на рис.2.34. учитывается сторонами ВС и АВ характеристического (реактивного) треугольника AВС. Его сторона АВ эквивалентна размагничивающему действию реакции якоря в масштабе тока возбуждения, а сторона ВС соответствует падению напряжения IRa. При I=const величина катета ВС остается практически постоянной. По мере увеличения насыщения магнитной системы влияние поперечной реакции якоря начинает сказываться все сильнее и сторона АВ треугольника АВС увеличивается. Полагая катеты характеристического треугольника неизменными, можно построить нагрузочную характеристику путем перемещения треугольника AВС так, чтобы его вершина А скользила по х.х.х. Вершина С при этом опишет нагрузочную характеристику. Рис.2.34. Нагрузочные характеристики генераторов с независимым и параллельным возбуждением. Внешние характеристики представляют собой зависимости (рис. 2.35.) U=f(I) при RB = const и n= const. Согласно формуле (2.44.), в генераторах с параллельным возбуждением снижение напряжения U при увеличении нагрузки I обусловливается тремя причинами: 1 - падением напряжения в якоре от тока I a I iB ; 2 - размагничивающим действием реакции якоря; 3 - уменьшением тока возбуждения iB, вследствие двух первых причин. Соответствующая внешняя характеристика показана на рис.2.35. в виде кривой 1. То обстоятельство, что ток возбуждения в генераторах с параллельным возбуждением снижается при увеличении нагрузки, определяет особый вид внешней характеристики этих генераторов. Увеличение нагрузки I путем уменьшения сопротивления внешней цепи происходит лишь до известного предела (Iпред), соответствующего границе устойчивой части внешней характеристики. Попытка еще увеличить нагрузку таким же образом приводит к резкому снижению напряжения генератора и тока нагрузки вследствие резкого уменьшения тока возбуждения. Эта часть характеристики является неустойчивой. В генераторах независимого возбуждения снижение напряжения при увеличении нагрузки обусловлено лишь двумя указанными выше причинами, поскольку для этих генераторов при U=const условие RВ =const соответствует условию iB = const. Поэтому в генераторах с независимым возбуждением напряже- ние при увеличении нагрузки снижается медленнее, чем в генераторах с параллельным возбуждением (кривая 2). Из анализа внешних характеристик следует, что генератор с параллельным возбуждением имеет сравнительно небольшую величину установившегося тока короткого замыкания Iк.з1, обусловливаемого остаточным магнетизмом и влиянием м.д.с. коммутируемых секций. Однако опасен бросок тока переходного процесса, который может превышать номинальный ток Iн машины в несколько раз. В генераторах независимого возбуждения ток короткого замыкания Iк.з1>>IH Рис.2.35. Внешние характеристики генераторов с независимым и параллельным возбуждением. Падение напряжения на зажимах генератора при изменении нагрузки обычно выражают в процентах номинального значения напряжения U Ea U H UH 100%. (2.47.) Для генераторов с независимым возбуждением эта величина составляет 5…15%, а для генераторов с параллельным возбуждением – 10…20%. Регулировочные характеристики представляют собой зависимости iB=(I) при U=const и n=const. Они практически одинаковы для генераторов с параллельным и независимым возбуждением. При увеличении нагрузки генератора увеличивается падение напряжения в цепи якоря IaRa , а также усиливается размагничивающее действие реакции якоря. Для поддержания напряжения на зажимах генератора неизменным нужно увеличивать ток возбуждения iB (рис. 2.36.). Рис.2.36. Регулировочная характеристика генератора Рис.2.37. Регулировочная характеристика авиационного генератора Авиационные генераторы часто выполняются с неполным комплектом дополнительных полюсов. В таких машинах, как показывают исследования, более сильно выражены размагничивающее действие реакции якоря и влияние м.д.с. коммутируемых секций. При переходе с расчетной на максимальную скорость вращения, поток дополнительных полюсов, вследствие уменьшения магнитного сопротивления ярма и полюсов, из-за уменьшения потока главных полюсов, увеличивается примерно на 20…30%. Это обусловливает возрастание подмагничивающего потока от м.д.с. коммутируемых секций, а в связи с этим - и необходимость снижения тока возбуждения для поддержания неизменным напряжения генератора. В регулировочной характеристике появляется «провал» (рис. 2.37.). Он обусловливает неустойчивую параллельную работу генераторов, так как одному и тому же току возбуждения соответствует два тока нагрузки. У таких генераторов обычно увеличен и ток короткого замыкания (I’к.з1 на рис.2.35. ). Для устранения «провала» в регулировочных характеристиках уменьшают поток дополнительных полюсов путем установки под них латунных прокладок. Г. Характеристики генераторов смешанного возбуждения Генераторы смешанного возбуждения имеют две обмотки возбуждения - параллельную и последовательную. Параллельная обмотка может присоединяться к обмотке якоря и обеспечивать таким образом самовозбуждение машины (рис. 2.29, г) или иметь независимое питание. В генераторах смешанного возбуждения может быть согласное или встречное включение параллельной и последовательной обмоток возбуждения. Чаще всего используются генераторы с согласным включением обмоток возбуждения, при этом их м. д. с. складываются. Свойства генераторов смешанного возбуждения определяются тем, какой процент составляет м.д.с. последовательной обмотки при номинальной нагрузке по отношению к м.д.с. параллельной обмотки. Обычно она не превышает 20%. Характеристика холостого хода генераторов смешанного возбуждения не отличается от подобных характеристик генераторов других типов, однако их нагрузочные, внешние и регулировочные характеристики имеют некоторые особенности. Нагрузочные характеристики (при I > 0), например, при согласном включении обмоток могут располагаться даже несколько выше характеристики холостого хода (рис. 2.38, а). Рис.2.38. Характеристики генератора смешанного возбуждения. а – нагрузочная; б – внешняя; в – регулировочная. Внешняя характеристика такого генератора изображена на рис.2.38, б. С ростом тока нагрузки магнитный поток последовательной обмотки растет только до насыщения магнитной системы машины. Поэтому напряжение на зажимах генератора сначала растет, а потом уменьшается. Выбирая число витков последовательной обмотки возбуждения так, чтобы при номинальном токе ее м.д.с. могла скомпенсировать действие падения напряжения и реакции якоря генератора, можно получить при номинальной нагрузке напряжение UН , равное напряжению при холостом ходе. Соответствующая этому случаю регулировочная характеристика машины изображена на рис. 2.38, в. Достоинством генератора смешанного возбуждения является меньший диапазон изменения тока возбуждения для поддержания неизменным напряжения на зажимах при изменении нагрузки. Наряду с рассмотренными генераторами иногда применяются генераторы с последовательным возбуждением. Их основной недостаток – резкое изменение напряжения при изменении нагрузки. В авиационных энергоустройствах они не используются. Глава 3. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕНЕРАТОРЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА ГСР-СТ-12/40А 3.1. Назначение Унифицированный стартер-генератор ГСР-СТ-12/40А предназначен для питания бортовой сети самолёта электрической энергией постоянного тока напряжением 28,5В. Стартер-генератор установлен у шп. .№ 7А-7Г на коробке КСА, внизу. Расшифровка обозначения: ГСР- генератор самолётный с расширенным диапазоном скоростей вращения; СТ- стартерный; 12- мощность (кВт) в генераторном режиме; 40- мощность (кВт) в стартерном режиме; А- модификация. 3.2. Основные технические данные Номинальное напряжение, В ----------------------------------28,5 Номинальная мощность, кВт-----------------------------------12 Номинальный ток нагрузки, А---------------------------------400 Частота вращения, об/мин--------------------------------------4000…9000 Марка щёток генератора-----------------------------------------Г-27 Размеры щёток в состоянии поставки, мм-------------------8х20х31 Минимально допустимая высота щёток, мм: при 100-часовых регламентных работах----20 при 200-часовых регламентных работах----23 8. Критическая высота щёток, мм--------------------------------17 9. Ток возбуждения, А----------------------------------------------1,9…15 10. Режим работы (генераторный)---------------------------------продолжительный 11. Температура окружающей среды, С-------------------------: -60…+60 12. Масса, кг-----------------------------------------------------------32 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 3.3. Устройство Стартер-генератор представляет собой машину защищённого исполнения с охлаждением и состоит из следующих основных узлов: корпус; якорь; фланцевый щит; коллекторный щит; патрубок; защитная лента. Корпус представляет собой трубу, выполненную из стали. Для доступа к щёткам и к коллектору имеется шесть окон. В средней части корпуса смонтированы шесть основных и шесть дополнительных полюсов. На шести основных полюсах расположены обмотки параллельного возбуждения, кроме того, на трёх из них имеется по витку обмотки последовательного возбуждения. На дополнительных полюсах размещены катушки обмотки дополнительных полюсов. Шесть щёткодержателей (реактивного типа) прикреплены к корпусу через изоляционные детали. В каждом щёткодержателе установлено по три щётки, на которые давят рычаги с плоскими спиральными пружинами. Корпус является индуктором – устройством, создающим основное магнитное поле машины. Якорь – это устройство, в котором наводится э.д.с. Пакет железа якоря напрессован на втулку и дополнительно фиксируется от осевого смещения пружинным кольцом. Втулка напрессована на рёбра вала. В пазы якоря заложена обмотка, выводные концы которой приварены к коллекторным пластинам. В пустотелом валу, на котором запрессована втулка, запрессован гибкий вал, служащий для привода стартергенератора и снижения динамических нагрузок при резких колебаниях величины крутящего момента на валу привода при изменении нагрузки генератора, а также для разгрузки подшипников от усилий, возникающих от неточностей при стыковке стартер-генератора с КСА. Коллектор служит для выпрямления и снятия э.д.с., наведённой в обмотке якоря. Коллекторные пластины выполнены из циркониевой бронзы, изолированы друг от друга прокладками из слюды. В собранном виде коллекторные пластины удерживаются двумя установочными кольцами, являющимися одновременно опорами коллектора на валу. На внутреннем установочном кольце размещён узел уравнительных соединений. Якорь балансируется динамически со стороны привода установкой заклёпок на баланс, а со стороны коллектора – установкой винтов на установочное кольцо. Фланцевый щит – служит для центрирования и крепления стартер-генератора на КСА. В центре щита имеется гнездо, в которое устанавливается шарикоподшипник. Щит крепится к корпусу болтами и контрится шайбами. На фланце щита имеется посадочный буртик, по которому стартер-генератор центрируется при установке на КСА. Для угловой фиксации стартер-генератора на фланце служит штифт. Для выхода охлаждающего воздуха в щите имеются окна. Коллекторный щит – крепится к корпусу болтами, которые контрятся шайбами. В центре щита имеется гнездо, в которое устанавливается шарикоподшипник. В горловине щита смонтированы три клеммы. К нижним торцам клемм болтами крепятся выводы, идущие из стартер-генератора, к верхним торцам болтами прикрепляются наконечники внешних соединений «+», «-», «C». Клеммы изолированы от щитка колодками. Выводные клеммы «+Ш», «-Ш», «Y», «B» заармированы в клеммной колодке и подсоединение к ним осуществляется через наконечники, крепящиеся гайками. Клеммы закрыты крышкой и хомутом. Патрубок крепится к коллекторному щиту и служит для подвода охлаждающего воздуха. На цилиндрическом фланце патрубка имеется посадочный буртик для подсоединения шланга воздуховода. Защитная лента закрывает окна в корпусе для подхода к щиткам и коллектору и служит для защиты щёточно-коллекторного узла от механических воздействий и попадания посторонних предметов. С внутренней стороны к ленте прикреплена прокладка для изоляции щёточных канатиков от ленты. Лента фиксируется на корпусе генератора штифтом и крепится стяжными винтами, которые контрятся проволокой. Стартер-генератор имеет воздушную систему охлаждения путём продува забортным воздухом, который подводится к патрубку. Воздух проходит через окна коллекторного щита и далее разветвляется на два потока. Один поток омывает внутреннюю поверхность коллектора, проходит по осевым каналам якоря и выходит через окна во фланцевом щите. Второй поток омывает внешнюю поверхность коллектора, щётки, лобовые части обмотки якоря. 3.4. Электрическая схема Электрическая схема стартер-генератора представлена на рис. 1.2. +Ш - Ш В +Ш - Ш В + С У - + С У 6 СОВ 1 S S 5 N N N + - - ШОВ G N ОДП + S 2 S G - S + S N N 4 3 Рис. 3.1. Электрическая схема ГСР-СТ-12/40А. «+», «-» - клеммы для подсоединения нагрузки; «C» - клемма последовательной обмотки возбуждения (СОВ); «+Ш», «-Ш» - клеммы параллельной обмотки возбуждения (ШОВ); «Y» - клемма для подсоединения уравнительной цепи при параллельной работе нескольких генераторов; «B» - клемма для подсоединения цепей управления. 3.5. Работа Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции – наведение ЭДС в проводниках, пересекающих магнитное поле. В генераторном режиме стартер-генератор работает, как электрическая машина постоянного тока с параллельным возбуждением, т.е. используется принцип самовозбуждения. При вращении якоря от авиадвигателя через КСА проводники секций, вложенных в пазах якоря, пересекают магнитные силовые линии остаточного магнитного поля основных полюсов. В результате этого в обмотке якоря возникает ЭДС, под действием которой начинает протекать переменный ток, который выпрямляется коллектором и поступает через щётки во внешнюю цепь. Так как обмотка параллельного возбуждения (ШОВ) включена параллельно обмотке якоря, то в ней под действием остаточной ЭДС потечёт ток, который своим магнитным потоком усилит магнитное поле основных полюсов, что ведёт к дальнейшему увеличению ЭДС в обмотке якоря. Происходит процесс самовозбуждения генератора и его напряжение увеличивается до номинального значения. При значительных токах и частотах вращения якоря, из-за воздействия реакции якоря процесс выпрямления и снятия тока с коллектора (коммутация) ухудшается и под щётками появляется сильное искрение, ведущее к сильному нагреву щёток и коллектора, вызывающему их быстрый износ. Для улучшения коммутации в зоне расположения щеток (на геометрической нейтрали) установлены дополнительные полюса, обмотка которых соединена последовательно с обмоткой якоря (последовательно с нагрузкой). Ток нагрузки, протекая по обмотке дополнительных полюсов (ОДП), создает добавочное магнитное поле в зоне коммутирующих секций обмотки якоря, которое уменьшает искажение основного магнитного поля, вызванное реакцией якоря, что улучшает условия коммутации. 3.6. Техническая эксплуатация Стартер-генератор ГСР-СТ-12/40А устанавливается на коробке самолетных агрегатов КСА, имеющей маслозащитное устройство, исключающее попадание масла в генератор. Стартер-генератор нуждается в систематическом уходе и наблюдении. При подготовке самолета к полетам и выполнении регламентных работ осуществляется проверка внешнего состояния и крепления стартер-генератора. При этом обращается внимание на целость контровки винтов и болтов, на затяжку резьбовых соединений, на отсутствие механических повреждений (забоин, сколов, трещин), пыли, влаги, масла. Проверка затяжки резьбовых соединений производится тарировочным ключом на момент 0,9 ± 0,9 кгс·м. При проведении 100 и 200часовых регламентных работ стартер-генератор снимается для осмотра с самолета. Порядок демонтажа 1. Открыть люк (шп. №7Г, отсек КСА). 2. Снять крепежные хомуты подводящих проводов. 3. Снять крышку, прикрывающую клеммы и хомут, отсоединить провода. 4. Снять шланг воздухопровода с патрубка генератора. 5. Снять стяжной хомут быстросъемного фланцевого крепления и вынуть генератор. 6. Установить стартер-генератор на специальную подставку и снять защитную ленту. После демонтажа стартер-генератора проверяется его внешнее состояние; состояние щеток, их износ, легкость перемещения; состояние коллектора; вращение якоря в подшипниках. Осмотр коллектора Для осмотра необходимо вынуть щетки из гнезд щеткодержателей. Поверхность коллектора должна быть блестящей с легким потемнением политуры, но без следов подгара и загрязнения. Если на пластинах коллектора образовался жирный черный налет, его необходимо снять хлопчатобумажной тканью, смоченной в бензине. Загрязнения, не снимающиеся тканью, удаляются стеклянной бумагой 1БШ-120 С8.А.3 ГОСТ 6456-68. При зачистке необходимо вращать якорь стартер-генератора рукой или специальным ключом, прижимая к поверхности коллектора полоску стеклянной бумаги, навернутую на заостренную деревянную палочку. Бумагу передвигать по всей длине коллектора. После зачистки коллектора прочистить канавки между коллекторами пластинами заостренной деревянной палочкой и продуть корпус генератора сжатым воздухом при давлении 1,5…2 атм. В случае сильного подгара или износа коллектора (более 0,3 мм на диаметр) стартер-генератор отправить в ремонт. Осмотр щеток Измеряется высота щеток. Высота щеток замеряется по большей стороне щетки. При этом необходимо руководствоваться требованиями Указания ГИ ВВС № 172(0068) от 17.06.77 г. «Об установлении эксплуатационных допусков на щетки авиационных генераторов и преобразователей». Эксплуатационные допуски на щетки стартер-генератора ГСР-СТ-12/40А приведены в таблице 3.1. Таблица 3.1. Критическая высота щеток, мм 17,0 Максимальнодопустимый износ щеток за период работы, мм 100 ч 200 ч 3,0 6,0 Минимально-допустимая высота щеток при периодическом выполнении регламентных работ, мм 100 ч 200 ч 20,0 23,0 При износе щеток более максимально-допустимого, происшедшем на стартер-генераторе впервые, щетки всей секцией подлежат замене. При износе вновь установленных щеток более максимальнодопустимого стартер-генератор заменяется независимо от высоты щеток и предъявляется рекламация или направляется в ремонт. Высота щеток и величина их износа учитывается в отдельном журнале с указанием следующих данных: - условное наименование и номер самолета; - тип и номер стартер-генератора; - номер щетки по порядку; - высота и износ щетки. В нумерацию щеток входит номер щеткодержателя и буквенный индекс щетки. Нумерация щеткодержателей ведется от клеммной колодки по ходу часовой стрелки, если смотреть со стороны коллектора. Буквенный индекс, указывающий номер щетки в гнезде данного щеткодержателя берется, считая от конца коллектора в сторону его петушков. Если высота щеток окажется менее минимально-допустимой, указанной в таблице 3.1 или щетки имеют сколы, трещины, обрывы канатика, они заменяются новыми (всей секцией). Проверяется также легкость хода щеток в гнездах щеткодержателей. Щетки должны входить в гнезда без малейшего заедания. В противном случае боковые поверхности щеток зачищаются стеклянной бумагой. При замене щеток стартер-генератора новые щетки следуют притереть, а затем пришлифовать к коллектору. Притирка проводится следующим образом: полоска стеклянной бумаги шириной равной длине коллектора навертывается на коллектор в 1…2 слоя так, чтобы сторона бумаги, покрытая стеклянным порошком, была обращена к щеткам. Устанавливаются притираемые щетки в гнезда щеткодержателей. Опускаются на щетки рычаги и вращается якорь от руки с помощью ключа, надетого на шлицевой конец вала, в сторону противоположную направлению вращения стартер-генератора до тех пор, пока щетки не станут прилегать к коллектору по радиусу. В процессе притирки высота щеток не должна уменьшаться более чем на 0,5…0,6 мм. По окончании притирки щеток необходимо тщательно продуть стартер-генератор от щеточной пыли сжатым воздухом. Пришлифовка щеток проводится в процессе работы стартер-генератора в генераторном режиме после установки на двигатель (или на стенде) под нагрузкой 150…200А или на холостом ходу. После работы в течении 1…2 ч рабочая поверхность щеток приобретает гладкую блестящую поверхность (80…90% рабочей поверхности), обеспечивающую безискровую коммутацию стартер-генератора. Также проверяется вращение якоря в подшипниках, вращая его за выступающий конец вала (щетки при этом должны быть вынуты). Вращение якоря должно быть свободным, без заеданий. После выполнения всех видов работ необходимо установить защитную ленту и законтрить ее винты и проверить: - целость контровки винтов и болтов; - затяжку кабельных наконечников выводных проводов; - прочность крепления патрубка. При опробовании не должно быть качание патрубка. Проверка крепления проводится тарировочным ключом во избежание перетяжки гайки и обрыва крепления патрубка. Монтаж стартер-генератора 1. Присоединить стартер-генератор к коробке самолетных агрегатов КСА. Шлицевой конец вала должен свободно войти в шлицевую втулку коробки приводов, а штифт на фланце стартер-генератора – в отверстие на фланце КСА. 2. Надеть стяжной хомут быстросъёмного фланцевого крепления на крепежный буртик щита стартергенератора и ответный буртик редуктора КСА. Клейма на обеих половинах хомута должны совпадать, под головки болтов должны быть установлены пластинчатые шайбы. Окончательная затяжка болтов хомута производится тарированным ключом на момент 3…3,5 кГс.М. При этом зазоры между половинками стяжного хомута должны быть одинаковыми (разница зазоров не должна превышать 0,5 мм). 3. Надеть шланг воздуховода на патрубок. 4. Присоединить стартер-генератор к бортовой сети, для чего снять крышку, прикрывающую клеммы и хомутик. Кабельные наконечники проводов присоединить к клеммам согласно маркировки, имеющейся на клеммовой колодке и проводах. Силовые кабельные наконечники затянуть на клеммах болтами. Болты законтрить стопорными шайбами. При монтаже провода крепить хомутами к корпусу генератора и к КСА. К наиболее характерным неисправностям, выявленным в процессе эксплуатации стартер-генератора, относят: искрение под щётками, подгорание коллектора; стартер-генератор не выдаёт напряжения; сильное нагревание стартер-генератора. Возможными причинами этих неисправностей, как правило, являются: заедание щёток в гнёздах щёткодержателей, щётки плохо пришлифованы, загрязнён коллектор, зависание или заклинивание щёток в гнёздах щёткодержателей, обрыв цепи обмотки возбуждения, короткое замыкание в одной или нескольких секциях обмотки якоря, закороченность коллектора по угольной пыли, стартер-генератор размагничен, неисправность аппаратуры управления и защиты, закороченность в обмотках якоря и др. Характерные неисправности стартер-генератора, возможные причины и способы устранения приведены в таблице 3.2. Таблица 3.2. Неисправность 1. Искрение под щётками, подгорание коллектора 2. Генератор не выдаёт напряжения Возможная причина 1. Заедание щёток в гнёздах щёткодержателя Способ устранения Вынуть щётки из гнёзд щёткодержателей и зачистить боковые поверхности стеклянной бумагой 2. Щётки плохо пришлифованы 3. Загрязнён коллектор 1. Зависание или заклинивание щёток в гнёздах щёткодержателя 2.Обрыв цепи обмотки возбуждения 3. Короткое замыкание в одной или нескольких обмотках якоря 4. Закороченность коллектора по угольной пыли 5. Стартер-генератор размагничен Притереть и пришлифовать щётки 6. Неисправность аппаратуры, работающей со стартергенератором 3. Сильное нагревание стартергенератора 1. Длительная работа стартер-генератора с нагрузкой, превышающей номинальную Протереть коллектор чистой х/б тканью, смоченной в бензине Вынуть щётки, зачистить боковые поверхности стеклянной бумагой, обеспечив лёгкость их хода в гнёздах щёткодержателей Стартер-генератор отправить в ремонт Стартер-генератор отправить в ремонт Прочистить коллектор и продуть сжатым воздухом Подмагнитить стартер-генератор путём 2-х…3-х разового подключения аккумуляторной батареи на 1…2с к клеммам обмотки возбуждения “+Ш”, “-Ш” Отключить нагрузку и проверить при работе двигателя напряжение на клеммах генератора (при n больше или равной 3000 об/мин) Выдерживать режим работы, указанный в Т.У. 2. Закороченность в обмотке якоря 3. Закороченность в одной или нескольких катушках обмотки возбуждения Стартер-генератор отправить в ремонт Стартер-генератор отправить в ремонт
